Il principio di funzionamento dei cilindri elettrici si basa sulla conversione del movimento rotatorio (circolare) di un elemento motore in movimento lineare (rettilineo) di un motore, fornendo lavoro utile. I modelli di cilindri elettrici si differenziano in base al tipo di motore che genera il movimento rotatorio, al tipo di albero a vite che fornisce il movimento lineare e ai tipi di connessione che consentono di unire questi due componenti.
I cilindri elettrici vengono spesso paragonati ai cilindri pneumatici per via dei loro campi di applicazione. Questo paragone può talvolta essere esteso anche ai cilindri idraulici. Tutti e tre i sistemi presentano vantaggi e svantaggi a seconda delle loro caratteristiche. Gli utenti dovrebbero tenere conto di questi aspetti nella scelta dei prodotti più adatti alla propria applicazione. Gli attuatori elettrici trovano impiego nella produzione di macchinari, nell'industria automobilistica e dei suoi sottosettori, nell'industria alimentare, tessile, dell'imballaggio, dei dispositivi medici, delle apparecchiature di collaudo, della robotica e dell'elettronica. I cilindri elettrici si distinguono dagli altri sistemi per la loro struttura meccanica. Il movimento è generato da un albero a vite all'interno di un corpo. La vite a ricircolo di sfere permette la trasmissione della potenza convertendo il movimento rotatorio proveniente dal motore in movimento lineare. A seconda dei componenti meccanici utilizzati nei cilindri elettrici e del tipo di motore, è possibile ottenere un'elevata precisione di posizionamento, un controllo preciso della velocità e un controllo efficace della forza.

Struttura del cilindro elettrico

La struttura di un cilindro elettrico è fondamentalmente composta da 3 elementi principali. Mentre la parte del cilindro può essere valutata separatamente, il motore viene generalmente considerato come un componente integrato.

1. Cilindro

Il cilindro è l'elemento che svolge il lavoro convertendo il movimento circolare ricevuto dal motore in movimento lineare. A seconda dei componenti meccanici utilizzati, variano la capacità di carico massima, la precisione di posizionamento, la velocità massima e la corsa massima del cilindro.

2. Adattatore per il collegamento del motore

Questo è il meccanismo che trasmette il movimento del motore al cilindro. È collegato tra il cilindro e il motore. A seconda dell'applicazione, il motore può essere montato assialmente o parallelamente al cilindro.

3. Motore

Il motore è la principale fonte di energia del cilindro. È ciò che gli conferisce il movimento. I cilindri elettrici possono essere utilizzati in combinazione con servomotori, motori passo-passo, motori a corrente continua e motori a corrente alternata.
La forza applicata da un cilindro elettrico con servomotore integrato può essere controllata senza la necessità di apparecchiature esterne. Con un cilindro elettrico dotato di servomotore, è possibile ottenere un posizionamento di alta precisione in più posizioni. È possibile ricevere un feedback sullo stato di posizionamento. I valori di velocità e accelerazione del cilindro elettrico possono essere modificati durante il processo. Tutte queste operazioni possono essere controllate da un PLC. Per altri tipi di generatori di movimento, queste operazioni sono possibili con l'aggiunta di apparecchiature esterne (sensori, righelli, ecc.).

Caratteristiche del cilindro elettrico

1. Controllo di posizione con cilindro elettrico

Con i cilindri elettrici è possibile ottenere un posizionamento preciso in più posizioni. La precisione di posizionamento del cilindro elettrico dipende dalla precisione della vite a ricircolo di sfere e dell'elemento di lettura della posizione utilizzati. Il cilindro compie un passo della vite a ricircolo di sfere ad ogni giro del motore. Non appena il movimento si arresta, il cilindro è nella posizione desiderata. Controllando il movimento da imprimere alla vite a ricircolo di sfere, è possibile posizionare il cilindro nella posizione desiderata.
Mentre con l'utilizzo di una vite a ricircolo di sfere nei cilindri elettrici si può raggiungere una precisione di posizionamento di 0,02 mm, con l'impiego di un albero trapezoidale questo valore rimane dell'ordine di 0,1 mm. La scelta dell'elemento di lettura della posizione (encoder, scala lineare, ecc.) deve essere adeguata ai valori di precisione di posizionamento desiderati.
Grazie a un cilindro elettrico integrato con un servomotore, è possibile leggere le informazioni sulla posizione senza bisogno di elementi esterni. Queste informazioni possono essere elaborate e valutate. Il cilindro si posiziona nella sua seconda posizione dopo aver atteso un po' nella prima. Il numero di posizioni non è limitato a due, ma può essere aumentato.
Se si utilizzano cilindri elettrici con motori sprovvisti di un sensore di posizione interno, è necessario un dispositivo esterno per il controllo della posizione. Il posizionamento può essere effettuato controllando il movimento del cilindro tramite le informazioni di posizione ricevute dal dispositivo esterno.

2. Regolazione della velocità con cilindro elettrico

La velocità del cilindro elettrico dipende dal passo della vite a ricircolo di sfere e dalla velocità del motore. La velocità può essere controllata variando il numero di giri della vite. È possibile modificare la velocità variando la velocità del motore durante il movimento. Regolando le accelerazioni in base all'applicazione, è possibile eliminare le perdite di tempo. Mentre il cilindro si muove a una velocità inferiore per raggiungere la prima posizione, dopo un certo intervallo di tempo accelera per raggiungere la seconda posizione.

3. Controllo dell'accelerazione del cilindro elettrico

Modificando i valori di accelerazione e decelerazione del motore integrato nel cilindro elettrico, è possibile controllare l'accelerazione del cilindro stesso. Ciò impedisce al cilindro di effettuare avviamenti e arresti rischiosi sotto carichi pesanti. Nelle applicazioni che richiedono tempi di ciclo rapidi, è possibile raggiungere i tempi di ciclo desiderati regolando gli avviamenti e gli arresti rapidi. Il cilindro raggiunge una determinata velocità con diversi valori di accelerazione.

4. Controllo della forza con cilindro elettrico

La forza esercitata dal cilindro elettrico dipende dalla potenza del motore e dalla struttura meccanica del cilindro stesso. La forza del cilindro può essere controllata regolando la potenza del motore. Attualmente, con i cilindri elettrici si possono ottenere forze fino a 300 kN.
La forza può essere controllata utilizzando la modalità coppia del motore nel cilindro elettrico con servomotore integrato. Il cilindro può essere vincolato da una determinata forza, rimanendo costante sotto tale forza. È possibile leggere le informazioni relative a forza e posizione. Queste informazioni possono essere elaborate e valutate. A seconda della sensibilità desiderata per le informazioni sulla forza, potrebbe essere necessario utilizzare un sensore di forza. Queste informazioni possono essere ottenute utilizzando il sensore di forza quando il motore viene utilizzato senza la modalità coppia nel cilindro elettrico.

I cilindri elettrici sono uno dei frutti dello sviluppo dell'alta tecnologia e della Quarta Rivoluzione Industriale. L'ampia diffusione di sistemi intelligenti con elevati cicli di funzionamento, che consentono la produzione di diversi prodotti sulla stessa macchina e bassi costi operativi, aumenta la necessità di cilindri elettrici. Si prevede che questi prodotti sostituiranno progressivamente i cilindri tradizionali, in quanto offrono numerosi vantaggi rispetto ai cilindri idraulici. I cilindri elettrici si distinguono dagli altri sistemi e presentano una struttura meccanica. Il movimento è generato da un albero a vite all'interno di un corpo. La vite a ricircolo di sfere permette la trasmissione della potenza convertendo il movimento rotatorio proveniente dal motore in movimento lineare. A seconda dei componenti meccanici utilizzati nei cilindri elettrici e del tipo di motore, si possono ottenere elevata precisione di posizionamento, controllo della velocità e controllo della forza. Oltre ai vantaggi per l'utente, i cilindri elettrici sono prodotti ecocompatibili. In termini di efficienza energetica, una delle nostre maggiori responsabilità odierne, i cilindri elettrici sono particolarmente sensibili a questo aspetto rispetto ad altri sistemi. Dopo 2000 ore di test nelle stesse condizioni di carico e velocità, il cilindro elettrico si è dimostrato 11 volte più efficiente in termini di consumo energetico rispetto al cilindro pneumatico.