Rivedere le nozioni di base sui dispositivi di posizionamento lineare più diffusi aiuterà gli utenti a specificarli correttamente nelle proprie applicazioni.

I sistemi di azionamento lineare sono utilizzati da migliaia di anni, fin dai tempi degli antichi Egizi che usavano tronchi d'albero per spostare pesanti blocchi di pietra, gettando le basi per soluzioni di movimento lineare come viti a ricircolo di sfere e sistemi a pignone e rulli. Oggi, la tecnologia del movimento lineare viene utilizzata per supportare, posizionare, guidare e movimentare componenti di macchinari in una vasta gamma di applicazioni nei settori aerospaziale, delle macchine utensili, medicale, dell'automazione industriale e dell'imballaggio, tra gli altri. Sebbene i requisiti fondamentali della tecnologia del movimento lineare siano la capacità di carico e la precisione del movimento, in molti casi sono importanti anche altri requisiti.

La tecnologia di azionamento lineare utilizzata in un prodotto gioca un ruolo fondamentale nel fornire funzionalità, prestazioni, durata, consumo energetico e altre caratteristiche che consentono al prodotto di superare la concorrenza. Gli ingegneri possono scegliere tra una vasta gamma di tecnologie di azionamento lineare, come viti a ricircolo di sfere, viti a sfere, sistemi a cremagliera e pignone, trasmissioni a cinghia, motori lineari e sistemi a pignone a rulli. È fondamentale valutare attentamente tutte le opzioni per evitare problemi comuni come bassa precisione, gioco/vibrazioni, costi elevati, funzionamento sporco, manutenzione elevata, bassa capacità di carico, rumore eccessivo, bassa velocità e così via. Un processo di selezione sistematico può garantire che la tecnologia di azionamento lineare venga scelta in base ai requisiti dell'applicazione. La scelta della tecnologia giusta può anche ridurre la complessità della progettazione, migliorare le prestazioni e ridurre il costo complessivo di assemblaggio.

1. Viti di comando
Le viti a ricircolo di sfere utilizzano l'angolo di elica di una filettatura per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare. L'ampia area di contatto di scorrimento tra le parti maschio e femmina della filettatura genera perdite per attrito relativamente elevate. Di conseguenza, le viti a ricircolo di sfere sono meno efficienti e meno precise delle viti a ricircolo di sfere. Le viti a ricircolo di sfere offrono una capacità di carico relativamente elevata, sebbene in genere inferiore a quella delle viti a ricircolo di sfere. Un vantaggio fondamentale delle viti a ricircolo di sfere è il basso costo: in genere costano solo un decimo rispetto alle equivalenti viti a ricircolo di sfere. Le viti a ricircolo di sfere sono disponibili in una gamma di passi, il che significa che è possibile selezionare il passo più adatto per ottenere il giusto equilibrio tra precisione di posizionamento e velocità. Le viti a ricircolo di sfere generalmente producono un rumore minimo, a condizione che venga mantenuta una lubrificazione sufficiente. Tuttavia, possono risultare difficili da utilizzare in spostamenti a lunga distanza, poiché la vite in genere non è supportata tra le due estremità.

2. Viti a ricircolo di sfere
Il sistema di azionamento a vite a ricircolo di sfere è costituito da una vite e un dado a sfere con cuscinetti a ricircolo che ruotano nelle scanalature formate dalla vite e dal dado. La vite a ricircolo di sfere distribuisce il carico su un elevato numero di elementi volventi, garantendo un'elevata capacità di carico. L'utilizzo di un gran numero di elementi volventi di precisione offre inoltre un'elevata accuratezza. Le viti a ricircolo di sfere presentano inoltre bassi livelli di attrito, il che si traduce in un'elevata efficienza meccanica e in un ridotto fabbisogno energetico. Il ciclo di lavoro delle viti a ricircolo di sfere è piuttosto elevato perché generano livelli relativamente bassi di calore per attrito. Tuttavia, rispetto ad altre tecnologie di azionamento lineare, le viti a ricircolo di sfere tendono ad essere costose e richiedono una lubrificazione costante per garantire una durata ragionevole. Infine, le viti a ricircolo di sfere sono soggette a rumorosità, causata principalmente dal ricircolo delle sfere.

3. Sistemi di trasmissione a cinghia
I sistemi di movimento lineare a cinghia con guide a sfere vengono generalmente scelti quando velocità elevate, accelerazioni elevate e corse lunghe sono i criteri più importanti. Gli attuatori lineari a cinghia con guide a scorrimento offrono velocità e accelerazioni leggermente inferiori a un costo corrispondentemente inferiore. La precisione di posizionamento lineare delle trasmissioni a cinghia, come prevedibile, non è elevata come quella delle viti a ricircolo di sfere o delle viti a sfere. La capacità di carico sia delle trasmissioni a cinghia con guide a sfere che di quelle con guide a scorrimento è leggermente inferiore a quella delle viti a sfere. L'allungamento e la rigidità della cinghia rappresentano altri svantaggi. I sistemi di movimento lineare a cinghia sono generalmente in grado di gestire cicli di lavoro elevati perché evitano i problemi di accumulo di calore per attrito nei cuscinetti di una vite a ricircolo di sfere o di una vite a sfere. Ulteriori vantaggi dei sistemi a cinghia includono la rumorosità relativamente bassa e la ridotta necessità di manutenzione.

4. Trasmissioni a catena
Le trasmissioni a catena convertono il moto rotatorio in moto lineare attraverso una serie di maglie di catena che si ingranano con una ruota dentata e con una slitta lineare. Essendo realizzate in metallo, le trasmissioni a catena presentano un vantaggio rispetto alle trasmissioni a cinghia. Inoltre, occupano meno spazio e non sono soggette a danni causati da olio, grasso, luce solare o usura dovuta all'età. A differenza delle trasmissioni a cinghia, le trasmissioni a catena sono anche in grado di funzionare in condizioni di umidità. D'altro canto, le trasmissioni a catena in genere generano più rumore e tendono a vibrare maggiormente rispetto alle trasmissioni a cinghia, offrendo inoltre una minore capacità di carico e una durata inferiore rispetto alle trasmissioni a ingranaggi.

5. Motori lineari
I motori lineari si basano sul concetto di "srotolamento" di un servomotore rotativo convenzionale, in cui lo statore diventa un elemento di forzatura e il rotore si trasforma in una bobina o in una guida magnetica. I motori lineari consentono di ottenere un movimento lineare diretto senza la necessità di dispositivi di trasmissione da rotativo a lineare. I motori lineari a spazzole utilizzano bobine nella guida lineare e magneti nell'elemento di forzatura. Le spazzole nell'elemento di forzatura entrano in contatto con una barra che percorre tutta la lunghezza del motore per garantire la commutazione. Sia gli avvolgimenti che l'elemento di forzatura sono contenuti all'interno dell'elemento di forzatura di un motore passo-passo lineare. I vantaggi dei motori lineari includono velocità elevate, elevata precisione e tempi di risposta rapidi. I limiti di questo approccio includono costi elevati, dimensioni ingombranti e generazione di notevoli quantità di calore. I motori lineari hanno anche una potenza limitata, analogamente al confronto tra motori a trasmissione diretta e motori con riduttore: il motore a trasmissione diretta deve essere significativamente più grande per ottenere la stessa potenza.

6. Set di cremagliere e pignone
I sistemi di ingranaggi a cremagliera e pignone sono costituiti da un ingranaggio circolare, chiamato pignone, che si innesta sui denti di un ingranaggio lineare, chiamato cremagliera, per convertire il moto rotatorio in moto lineare. Gli ingranaggi a cremagliera e pignone sono comunemente utilizzati come attuatori lineari in un'ampia gamma di macchinari. Ad esempio, vengono utilizzati per muovere gli assi delle macchine utensili a controllo numerico (CNC), come i centri di lavoro. Le cremagliere elicoidali offrono un funzionamento più silenzioso ad alte velocità e una maggiore capacità di carico grazie al maggiore rapporto di contatto dei denti. La lubrificazione è importante per garantire una lunga durata ai sistemi a cremagliera e pignone. Poiché i sistemi a cremagliera e pignone hanno un numero relativamente ridotto di componenti, contribuiscono a risparmiare tempo durante l'installazione e ad aumentare l'affidabilità. Offrono inoltre elevati livelli di precisione anche su lunghe corse. Gli svantaggi dei sistemi a cremagliera e pignone includono i livelli di attrito relativamente elevati, che ne riducono l'efficienza, aumentano il consumo energetico e ne limitano la durata. Inoltre, i sistemi a cremagliera e pignone devono funzionare con un certo gioco, quindi il gioco meccanico può rappresentare un grave svantaggio.

Tutti questi sistemi di azionamento lineare offrono una combinazione unica di vantaggi e svantaggi. Per applicare la tecnologia di movimento lineare più adatta a una specifica applicazione, il progettista deve valutare attentamente le capacità di ciascuna alternativa. La scelta della tecnologia giusta può migliorare le prestazioni, garantire una lunga durata e ridurre il costo complessivo dell'assemblaggio.