Attuatore lineare

Un attuatore lineare è un attuatore che crea un movimento in linea retta, in contrasto con il movimento circolare di un motore elettrico convenzionale. Gli attuatori lineari sono utilizzati in macchine utensili e macchinari industriali, in periferiche per computer come unità disco e stampanti, valvole e ammortizzatori e in molti altri luoghi in cui è richiesto un movimento lineare. I cilindri idraulici o pneumatici producono intrinsecamente un movimento lineare. Molti altri meccanismi vengono utilizzati per generare il movimento lineare da un motore rotante.

tipi

Attuatori meccanici
Gli attuatori lineari meccanici funzionano tipicamente convertendo il movimento rotatorio in movimento lineare. La conversione viene comunemente effettuata tramite alcuni semplici tipi di meccanismo:

Vite: vite di comando, martinetto a vite, vite a ricircolo di sfere e attuatore a vite cilindrica funzionano tutti secondo il principio della semplice macchina nota come vite. Ruotando il dado dell’attuatore, l’albero della vite si muove in linea.
Ruota e asse: argano, argano, cremagliera e pignone, trasmissione a catena, trasmissione a cinghia, catena rigida e attuatori a cinghia rigida funzionano secondo il principio della ruota e dell’asse. Una ruota girevole sposta un cavo, un rack, una catena o una cinghia per produrre un movimento lineare.
Cam: Gli attuatori a camme funzionano secondo un principio simile a quello del cuneo, ma forniscono una corsa relativamente limitata. Quando una camma a ruota gira, la sua forma eccentrica fornisce spinta alla base di un albero.
Alcuni attuatori lineari meccanici tirano solo, come paranchi, trasmissione a catena e trasmissioni a cinghia. Altri spingono solo (come un attuatore a camme). Cilindri pneumatici e idraulici o viti di piombo possono essere progettati per generare forza in entrambe le direzioni.

Gli attuatori meccanici tipicamente convertono il movimento rotatorio di una manopola o maniglia di controllo in spostamento lineare tramite viti e / o ingranaggi a cui è collegata la manopola o la maniglia. Un martinetto o un martinetto è un attuatore meccanico familiare. Un’altra famiglia di attuatori si basa sul mandrino segmentato. La rotazione della maniglia del martinetto viene convertita meccanicamente nel movimento lineare della testa del martinetto. Gli attuatori meccanici sono anche frequentemente usati nel campo dei laser e dell’ottica per manipolare la posizione di stadi lineari, stadi rotanti, supporti per specchi, goniometri e altri strumenti di posizionamento. Per un posizionamento accurato e ripetibile, è possibile utilizzare i segni di indice sulle manopole di controllo. Alcuni attuatori includono un encoder e una lettura digitale della posizione. Questi sono simili alle manopole di regolazione utilizzate su micrometri, tranne per il loro scopo è la regolazione della posizione piuttosto che la misurazione della posizione.

Attuatori idraulici
Attuatori idraulici o cilindri idraulici tipicamente comportano un cilindro cavo avente un pistone inserito in esso. Una pressione sbilanciata applicata al pistone genera una forza che può spostare un oggetto esterno. Poiché i liquidi sono quasi incomprimibili, un cilindro idraulico può fornire uno spostamento lineare preciso controllato del pistone. Lo spostamento è solo lungo l’asse del pistone.Un esempio familiare di un attuatore idraulico azionato manualmente è un martinetto idraulico.Tipicamente, il termine “attuatore idraulico” si riferisce a un dispositivo controllato da una pompa idraulica.

Attuatori pneumatici
Gli attuatori pneumatici, o cilindri pneumatici, sono simili agli attuatori idraulici, tranne che usano gas compresso per generare forza invece di un liquido. Funzionano in modo simile a un pistone in cui l’aria viene pompata all’interno di una camera e spinta fuori dall’altro lato della camera. Gli attuatori pneumatici non sono necessariamente utilizzati per macchinari pesanti e in presenza di grandi quantità di peso. Uno dei motivi per cui gli attuatori lineari pneumatici sono preferiti ad altri tipi è il fatto che la fonte di alimentazione è semplicemente un compressore d’aria. Poiché l’aria è la fonte di ingresso, gli attuatori pneumatici possono essere utilizzati in molti luoghi di attività meccanica. Il rovescio della medaglia è che la maggior parte dei compressori d’aria è grande, voluminosa e rumorosa. Sono difficili da trasportare in altre aree dopo l’installazione. È probabile che gli attuatori lineari pneumatici perdano e questo li rende meno efficienti degli attuatori lineari meccanici.

Attuatori piezoelettrici
L’effetto piezoelettrico è una proprietà di alcuni materiali in cui l’applicazione di una tensione al materiale ne causa l’espansione. Tensioni molto alte corrispondono a piccole espansioni. Di conseguenza, gli attuatori piezoelettrici possono ottenere una risoluzione di posizionamento estremamente precisa, ma hanno anche un raggio di movimento molto breve. Inoltre, i materiali piezoelettrici presentano isteresi che rende difficile controllare la loro espansione in modo ripetibile.

Attuatori a polimeri ritorti e a spirale (TCP)
Attuatore a polimero attorcigliato e a spirale (TCP) noto anche come attuatore a polimero supercoiled (SCP) è un polimero a spirale che può essere azionato mediante energia elettrica. Un attuatore TCP sembra una molla elicoidale. Gli attuatori TCP sono generalmente realizzati in nylon rivestito di argento. Gli attuatori TCP possono anche essere realizzati da altri rivestimenti elettrici di conduttanza come l’oro. L’attuatore TCP dovrebbe essere sotto carico per mantenere esteso il msucle. L’energia elettrica si trasforma in energia termica grazie alla resistenza elettrica, nota anche come riscaldamento Joule, riscaldamento Ohmic e riscaldamento resistivo. Poiché la temperatura dell’attuatore TCP aumenta con il riscaldamento del Joule, il polimero si contrae e provoca la contrazione dell’attuatore.

Attuatori elettromeccanici
Gli attuatori elettromeccanici sono simili agli attuatori meccanici, ad eccezione del fatto che la manopola o l’impugnatura di controllo sono sostituiti da un motore elettrico. Il movimento rotatorio del motore viene convertito in spostamento lineare. Ci sono molti progetti di attuatori lineari moderni e ogni azienda che li produce tende ad avere un metodo proprietario. La seguente è una descrizione generale di un attuatore lineare elettromeccanico molto semplice.

Design semplificato
Tipicamente, un motore elettrico è collegato meccanicamente per ruotare una vite di comando. Una vite guida ha un filo elicoidale continuo lavorato sulla sua circonferenza che corre lungo la lunghezza (simile alla filettatura di un bullone). Filettato sulla madrevite è una chiocciola o dado a sfera con corrispondenti filetti elicoidali. Il dado è impedito di ruotare con la vite di comando (tipicamente il dado si blocca con una parte non rotante del corpo dell’attuatore). Pertanto, quando la vite guida viene ruotata, il dado verrà guidato lungo i fili. La direzione del movimento del dado dipende dalla direzione di rotazione della vite di comando. Collegando i collegamenti al dado, il movimento può essere convertito in spostamento lineare utilizzabile. La maggior parte degli attuatori attuali sono costruiti per alta velocità, alta forza o un compromesso tra i due. Quando si considera un attuatore per una particolare applicazione, le specifiche più importanti sono in genere corsa, velocità, forza, precisione e durata. La maggior parte delle varietà sono montate su serrande o valvole a farfalla.

Esistono molti tipi di motori che possono essere utilizzati in un sistema di attuatori lineari. Questi includono dc brush, dc brushless, stepper o, in alcuni casi, anche motori a induzione. Tutto dipende dai requisiti dell’applicazione e dai carichi che l’attuatore è progettato per spostare. Ad esempio, un attuatore lineare che utilizza un motore a induzione CA a potenza integrativa che aziona una vite di comando può essere utilizzato per azionare una valvola di grandi dimensioni in una raffineria. In questo caso, la precisione e l’alta risoluzione di movimento non sono necessari, ma sono la forza e la velocità elevate. Per attuatori lineari elettromeccanici utilizzati nella robotica di strumentazione di laboratorio, apparecchiature ottiche e laser o tabelle XY, la risoluzione fine nella gamma micron e l’elevata precisione possono richiedere l’uso di un attuatore lineare con motore passo-passo a potenza frazionaria con una vite di comando a passo fine. Esistono molte varianti nel sistema di attuatori lineari elettromeccanici. È fondamentale comprendere i requisiti di progettazione e i vincoli applicativi per sapere qual è il migliore.

Costruzione standard o compatta
Un attuatore lineare che utilizza motori standard avrà comunemente il motore come un cilindro separato collegato al lato dell’attuatore, parallelo all’azionatore o perpendicolare all’attuatore. Il motore può essere collegato all’estremità dell’attuatore. Il motore di azionamento è di costruzione tipica con un albero di trasmissione solido che è innestato sul dado o sulla vite di azionamento dell’attuatore.

Gli attuatori lineari compatti utilizzano motori appositamente progettati che cercano di montare il motore e l’attuatore nella forma più piccola possibile.

Il diametro interno dell’albero motore può essere ingrandito, in modo che l’albero motore possa essere cavo. La vite di azionamento e il dado possono quindi occupare il centro del motore, senza necessità di ingranaggi aggiuntivi tra il motore e la vite di azionamento.
Allo stesso modo il motore può essere fatto per avere un diametro esterno molto piccolo, ma invece le facce polari sono allungate longitudinalmente in modo che il motore possa ancora avere una coppia molto alta mentre si inserisce in uno spazio di piccolo diametro.
I principi
Nella maggior parte dei progetti di attuatori lineari, il principio di base di funzionamento è quello di un piano inclinato. I fili di una vite di comando agiscono come una rampa continua che consente di utilizzare una piccola forza rotatoria su una lunga distanza per eseguire il movimento di un carico di grandi dimensioni su una breve distanza.

variazioni
Sono state create molte varianti sul design di base. La maggior parte si concentra sul fornire miglioramenti generali come una maggiore efficienza meccanica, velocità o capacità di carico. C’è anche un grande movimento di ingegneria verso la miniaturizzazione degli attuatori.

La maggior parte dei progetti elettromeccanici comprende una vite di comando e una madrevite.Alcuni usano una vite a ricircolo di sfere e un dado a sfera. In entrambi i casi, la vite può essere collegata a un motore oa una manopola di comando manuale direttamente o tramite una serie di ingranaggi. Gli ingranaggi vengono generalmente utilizzati per consentire a un motore più piccolo (e più debole) di girare a un numero di giri più elevato per essere regolato per fornire la coppia necessaria per far girare la vite con un carico più pesante di quello che altrimenti sarebbe in grado di guidare direttamente. Effettivamente questo sacrifica la velocità dell’attuatore in favore di una maggiore spinta dell’attuatore. In alcune applicazioni l’uso di ingranaggi a vite senza fine è comune in quanto ciò consente una dimensione integrata più piccola che consente comunque una grande lunghezza di viaggio.

Un attuatore lineare a chiocciola mobile ha un motore che rimane attaccato ad un’estremità della vite di comando (forse indirettamente attraverso una scatola ingranaggi), il motore gira la vite di comando e la chiocciola viene trattenuta dalla rotazione in modo da viaggiare su e giù vite di comando.

Un attuatore lineare a vite mobile ha una vite di comando che passa interamente attraverso il motore. In un attuatore lineare a vite viaggiante, il motore “striscia” su e giù per una vite di comando che è trattenuta dalla rotazione. Le sole parti rotanti sono all’interno del motore e potrebbero non essere visibili dall’esterno.

Alcune viti guida hanno più “avviamenti”. Ciò significa che hanno più thread che si alternano sullo stesso albero. Un modo per visualizzarlo è rispetto alle strisce di più colori su un bastoncino di zucchero. Ciò consente una maggiore regolazione tra il passo della filettatura e l’area di contatto del dado / vite, che determina rispettivamente la velocità di estensione e la capacità di carico (delle filettature).

Capacità di carico statico
Gli attuatori a vite lineare possono avere una capacità di carico statico, il che significa che quando il motore si ferma, l’attuatore si blocca essenzialmente in posizione e può supportare un carico che sta tirando o spingendo sull’attuatore. Questa capacità di carico statico aumenta la mobilità e la velocità.

La forza frenante dell’attuatore varia con il passo angolare delle filettature delle viti e il design specifico delle filettature. I filetti Acme hanno una capacità di carico statica molto elevata, mentre le viti a ricircolo di sfere hanno una capacità di carico estremamente bassa e possono essere quasi flottanti.

Generalmente non è possibile variare la capacità di carico statico degli attuatori a vite senza tecnologia aggiuntiva. Il passo della vite e il design del dado definiscono una capacità di carico specifica che non può essere regolata dinamicamente.

In alcuni casi, il grasso ad alta viscosità può essere aggiunto agli attuatori a vite lineare per aumentare il carico statico. Alcuni produttori usano questo per modificare il carico per esigenze specifiche.

La capacità di carico statico può essere aggiunta a un attuatore a vite lineare mediante un sistema di frenatura elettromagnetica, che applica l’attrito al dado della trasmissione. Ad esempio, è possibile utilizzare una molla per applicare le pastiglie del freno al dado della trasmissione, tenendolo in posizione quando si spegne l’alimentazione. Quando l’attuatore deve essere spostato, un elettromagnete contrasta la molla e rilascia la forza frenante sul dado.

Analogamente, un meccanismo a cricchetto elettromagnetico può essere utilizzato con un attuatore a vite lineare in modo che il sistema di azionamento che solleva un carico si blocchi in posizione quando viene disattivata l’alimentazione dell’attuatore. Per abbassare l’attuatore, viene utilizzato un elettromagnete per contrastare la forza della molla e sbloccare il cricchetto.

Capacità di carico dinamico
La capacità di carico dinamico viene in genere definita come la quantità di forza che l’attuatore lineare è in grado di fornire durante il funzionamento. Questa forza varierà con il tipo di vite (quantità di movimento che limita l’attrito) e il motore che guida il movimento. Il carico dinamico è la cifra che viene classificata dalla maggior parte degli attuatori, ed è una buona indicazione di quali applicazioni sarebbe più adatta.

Controllo di velocità
Nella maggior parte dei casi, quando si utilizza un attuatore elettromeccanico, si preferisce avere un qualche tipo di controllo della velocità. Tali regolatori variano la tensione fornita al motore, che a sua volta cambia la velocità a cui ruota la vite di comando. La regolazione del rapporto di trasmissione è un altro modo per regolare la velocità. Alcuni attuatori sono disponibili con diverse opzioni di ingranaggi.

Ciclo di lavoro
Il ciclo di lavoro di un motore si riferisce al tempo di esecuzione dell’attuatore prima che sia necessario raffreddarsi. Rimanere in questa linea guida quando si utilizza un attuatore è fondamentale per la sua longevità e le sue prestazioni. Se viene superata la frequenza del ciclo di lavoro, si rischia il surriscaldamento, la perdita di potenza e l’eventuale combustione del motore.

Motori lineari
Un motore lineare è funzionalmente uguale a un motore elettrico rotante con i componenti del campo magnetico circolare del rotore e dello statore disposti in linea retta. Quando un motore rotante gira intorno e riutilizza le stesse facce dei poli magnetici, le strutture del campo magnetico di un motore lineare vengono fisicamente ripetute su tutta la lunghezza dell’attuatore.

Poiché il motore si muove in modo lineare, non è necessaria alcuna vite di comando per convertire il movimento rotatorio in lineare. Mentre è possibile un’elevata capacità, i limiti del materiale e / o del motore sulla maggior parte dei progetti sono superati in tempi relativamente brevi a causa del fatto che dipendono esclusivamente dall’attrazione magnetica e dalle forze di repulsione. La maggior parte dei motori lineari ha una bassa capacità di carico rispetto ad altri tipi di attuatori lineari. I motori lineari hanno un vantaggio in ambienti esterni o sporchi in quanto le due metà non hanno bisogno di contattarsi, e quindi le bobine di azionamento elettromagnetico possono essere impermeabilizzate e sigillate contro l’umidità e la corrosione, consentendo una durata molto lunga.

Attuatore lineare telescopico
Gli attuatori lineari telescopici sono attuatori lineari specializzati utilizzati laddove esistono limitazioni di spazio. Il loro raggio di movimento è molte volte maggiore della lunghezza non prolungata dell’elemento di azionamento.

Una forma comune è costituita da tubi concentrici di lunghezza approssimativamente uguale che si estendono e si retrattano come le maniche, una dentro l’altra, come il cilindro telescopico.

Altri attuatori telescopici più specifici utilizzano elementi di azionamento che fungono da alberi lineari rigidi quando sono estesi, ma rompono quella linea piegando, separando in pezzi e / o svolgendo quando retratti. Esempi di attuatori lineari telescopici includono:

Attuatore a fascia elicoidale
Attuatore a cinghia rigida
Attuatore a catena rigido
Mandrino segmentato

Vantaggi e svantaggi