Analizziamo i cinque anelli della catena di elementi di progettazione così essenziali per un funzionamento di precisione.

Un sistema di movimento lineare è resistente quanto lo sono gli anelli più compromessi nella sua catena di elementi meccanici ed elettromeccanici. Comprendere ogni componente e caratteristica (e il suo impatto sul risultato del progetto) migliora le decisioni e aumenta le probabilità che il progetto finale soddisfi pienamente i requisiti dell'applicazione. Dopotutto, il gioco del sistema, la precisione e altri aspetti prestazionali possono essere ricondotti a elementi nella progettazione e produzione della vite madre, della chiocciola antigioco, dei giunti, del motore e della strategia di controllo.

Collaborare con fornitori di sistemi di movimento lineare con esperienza in tutti gli aspetti di un progetto è il modo migliore per ottenere le massime prestazioni. In definitiva, i sistemi di controllo del movimento ottimizzati sono come un'auto sportiva ad alte prestazioni con tutti i suoi elementi ben bilanciati... per la quale il motore della giusta dimensione + la giusta trasmissione + gli pneumatici giusti + ottime funzionalità di controllo (come freni antibloccaggio e controllo della trazione) = grandi prestazioni.

Consideriamo alcuni esempi di progetti che richiedono prestazioni elevate. In alcuni tipi di stampa 3D, la risoluzione degli strati viene ridotta fino a 10 µm per strato. Nei dispositivi medici, le unità di erogazione devono erogare farmaci salvavita e controllare le dosi fino a microlitri. Lo stesso tipo di elevata precisione si può osservare nelle apparecchiature ottiche e di scansione, nelle apparecchiature di lavorazione di chip e wafer nell'industria dei semiconduttori e nel settore dell'automazione di laboratorio.

Solo i progetti di movimento lineare realizzati con un approccio olistico alla selezione e all'integrazione dei componenti possono soddisfare questi requisiti prestazionali sempre più elevati. Spesso la soluzione più adatta per queste configurazioni è una vite e una chiocciola motorizzate con un'architettura di controllo adeguata. Consideriamo quindi le considerazioni chiave e le caratteristiche prestazionali di ciascun collegamento in questo tipo di assemblaggio lineare.

Collegamento uno: Qualità della vite e del dado

Le viti madri sono presenti da decenni in varie forme e con una vasta gamma di materiali e design delle chiocciole. Per gran parte di questo tempo, le macchine utilizzate per la produzione delle viti madri venivano regolate manualmente, limitando la qualità alla capacità della macchina e al livello di competenza dell'operatore. La maggior parte dei produttori oggi utilizza ancora questo tipo di apparecchiature, ma i moderni processi automatizzati stanno portando la qualità delle viti madri a un livello superiore.

Ad esempio, tali operazioni utilizzano un avanzamento controllato da CNC, la regolazione dell'inclinazione e i controlli di pressione per il processo di filettatura a rulli per ottenere filettature per viti madri dalle forme più uniformi. La finitura superficiale di queste viti madri è costantemente liscia e priva di abrasioni superficiali che possono lacerare i dadi in polimero... per una precisione e una durata del sistema senza precedenti.

Allo stesso tempo, le tecniche avanzate di metrologia e ispezione che tracciano la forma e la geometria delle filettature delle viti madri mostrano risultati in precisioni di passo punto a punto fino a tre volte superiori rispetto a quelle dei metodi manuali tradizionali. Ciò mantiene costantemente precisioni di passo fino a 0,003 pollici/piede sull'intera lunghezza della vite.

Per applicazioni di trasporto che spostano un oggetto punto per punto lungo un asse, il metodo tradizionale di controllo della precisione del passo ogni 300 mm o sei pollici è adeguato. Tuttavia, per le applicazioni di massima precisione, la precisione di ogni filettatura dell'albero è rilevante. La deviazione dalla geometria della filettatura corretta è nota come "ubriachezza" della filettatura.

Nuove attrezzature di produzione CNC automatizzate, processi e metodi di ispezione dettagliati garantiscono un controllo e una qualità più rigorosi, in modo che il punto più alto e quello più basso all'interno di una singola filettatura mostrino una precisione di sub-rotazione notevolmente migliorata, in altre parole, una minore ermeticità. Questo a sua volta aiuta le viti madri a mantenere la ripetibilità di posizionamento su una singola rotazione a 1 µm. Questo è un parametro prestazionale particolarmente critico in applicazioni come la lavorazione di wafer e chip costosi per l'industria dei semiconduttori e la distribuzione accurata di farmaci in una pompa a siringa.

Dopo la rullatura, i fornitori di viti avanzate raddrizzano gli alberi delle viti con un sistema automatizzato per ridurre al minimo errori e scentratura che possono causare vibrazioni, rumore e usura prematura. La rettilineità dell'albero della vite è fondamentale perché qualsiasi errore viene accentuato durante l'assemblaggio con il motore. Al contrario, i metodi tradizionali (manuali) di raddrizzamento delle viti possono produrre un effetto "cono di neve" nella geometria dell'albero della vite, sotto forma di un singolo arco o di più archi che si avvitano attorno all'asse longitudinale dell'albero. Anche in questo caso, la raddrizzatura e l'ispezione automatizzate eliminano questi errori, garantendo prestazioni stabili della vite.

La fase finale nella produzione delle viti madri è l'applicazione di un rivestimento in PTFE. Solo una finitura liscia e uniforme garantisce una lunga durata e prestazioni ottimali del sistema. Un'applicazione non uniforme del PTFE (dovuta a un ambiente o a un'attrezzatura di rivestimento non ottimali) può causare vaiolatura, fessure, bolle, sfaldamenti o rugosità superficiale che causano un'usura prematura della madrevite e riducono la durata dell'assemblaggio.

Collegamento due: Interazione tra dado e vite

I dadi anti-gioco tradizionali utilizzano un design multi-pezzo che richiede una molla elicoidale per spostare una pinza in modo lineare lungo il dado per chiudere le dita e controllare l'accoppiamento tra vite e dado.

I problemi che contribuiscono al fallimento di questi progetti sono la forza sporadica e variabile della molla, l'effetto stick-slip della pinza sul dado e la pressione fluttuante dovuta all'usura del materiale del dado. Al contrario, un dado alternativo progettato per fornire una forza costante include un design semplificato in due pezzi che applica la pressione alle dita del dado in modo radiale, ovvero la direzione necessaria per controllare il gioco tra il dado e la vite.

Si consideri il design convenzionale con molla elicoidale e pinza di serraggio per una chiocciola con vite senza fine anti-gioco. In questo caso, una molla elicoidale a forza variabile genera una forza assiale che viene convertita in forza radiale tramite interferenza meccanica. Il design si basa su componenti stampati a iniezione per applicare la forza in modo uniforme alle dita. I test di riferimento confermano che il precarico varia drasticamente nei primi 1.000 cicli.

Al contrario, alcune chiocciole coniche anti-gioco a forza costante offrono prestazioni di riduzione del gioco da due a quattro volte superiori rispetto ai modelli convenzionali, come convalidato dai test FDA condotti dai clienti di automazione di laboratorio. Il design della molla a forza costante garantisce un precarico costante per tutta la durata dell'asse. Materiale della chiocciola autolubrificante con PTFE per lubrificazione e maggiore efficienza.

Uno dei maggiori vantaggi delle chiocciole con vite senza fine a forza costante e gioco zero è la loro capacità di essere adattate all'applicazione specifica, modificando la molla e altri parametri. Questa regolazione consente di ottimizzare precarico, gioco, forza di trascinamento e gioco di rotazione per soddisfare le specifiche richieste. Ogni combinazione vite-chiocciola, insieme a ogni gruppo motore-vite completo, può essere testata per ciascuna di queste caratteristiche prestazionali durante la convalida e l'ispezione finale.

Collegamento tre: Collegamento accoppiato o diretto all'azionamento

Il passaggio successivo riguarda il fissaggio della vite al motore. Esistono tre modi principali per farlo.

Il primo è il metodo più tradizionale in cui un giunto viene introdotto nell'assieme come componente tra la vite e un motore costruito con un albero di perno estensibile. Questa progettazione richiede più spazio per la lunghezza del giunto e di qualsiasi alloggiamento di fissaggio associato, e può anche creare problemi di allineamento. A causa del maggior numero di componenti, è più difficile mantenere tutto in linea centrale. Se uno o più componenti sono fuori centro o disallineati, il risultato può essere un effetto di tipo camma che influisce notevolmente sulle prestazioni e sulla durata del sistema.

Il secondo metodo prevede l'inserimento della vite in un foro conico per fissarla meccanicamente in posizione (dal retro) con un bullone. Questo tipo di montaggio è comune sui motori che richiedono una manutenzione frequente e rappresenta un metodo rapido per lo smontaggio e il rimontaggio. Lo svantaggio è che l'allineamento è difficile da mantenere e può provocare un effetto "cono di neve" che amplifica le imprecisioni lungo la lunghezza della vite. Inoltre, questa oscillazione a "cono di neve" nella vite crea punti di usura che possono richiedere manutenzione e causare guasti prematuri al sistema.

Il terzo metodo consiste nell'inserimento diretto della vite in un albero cavo all'interno del motore e nel fissaggio della vite tramite saldatura laser sul retro del motore. Questo metodo garantisce il massimo accoppiamento tra la vite e il motore, garantendo la massima precisione di allineamento possibile. In alcuni casi, la saldatura può essere sostituita con un adesivo industriale che crea un legame permanente tra la vite e il motore. Questo metodo di assemblaggio garantisce inoltre il massimo livello di precisione, riducendo al minimo l'eccentricità della vite, prolungandone la durata e riducendo al minimo la necessità di manutenzione.

L'ottimizzazione dell'allineamento di vite madre, madrevite e giunto prolunga la durata dell'intero sistema. Come base per il confronto con altri elementi del sistema, sono stati eseguiti test con diversi orientamenti, passi e con una gamma di carichi e velocità. I risultati hanno mostrato una durata di scorrimento superiore di 40 volte rispetto alla durata standard dei cuscinetti L10.

In altre parole, le configurazioni tradizionali con motore e vite madre includono più componenti che richiedono un assemblaggio e sono difficili da allineare. Introducono giochi e tolleranze che compromettono la precisione e aumentano il rischio di guasti. Un numero elevato di componenti comporta anche un costo di assemblaggio complessivo più elevato. Tuttavia, le configurazioni con attuatori lineari ibridi integrati includono una vite madre allineata e fissata direttamente al motore, riducendo il numero di componenti. Ciò si traduce in maggiore rigidità, precisione e affidabilità... oltre che in un valore complessivo del progetto.

Collegamento quattro: Selezione del tipo e del design del motore

Gli attuatori lineari sono disponibili con una vasta gamma di opzioni di motore: le più comuni sono un motore passo-passo ad anello aperto, una versione ad anello chiuso che utilizza un controllo montato su scheda o uno stepper intelligente incapsulato industrialmente e, infine, un motore brushless DC (BLDC). Ognuno di essi offre prestazioni, velocità e capacità di carico specifiche, e presenta anche una serie di pro e contro in termini di costi, integrazione, controllo e altri aspetti che tratteremo più avanti.

L'impatto maggiore sulle prestazioni di un motore in movimento lineare richiede un'analisi approfondita del design interno del motore. I tipici motori per uso generale utilizzano una rondella ondulata per mantenere in posizione i cuscinetti e il gruppo. Questa soluzione è solitamente adeguata per le applicazioni rotative e spesso può essere applicata anche alle applicazioni lineari. Tuttavia, le rondelle ondulate forniscono una certa flessibilità all'interno del motore che può generare piccoli giochi assiali o lineari che si traducono in imprecisioni nella posizione lineare.

Per ovviare a questo inconveniente, è possibile modificare uno o entrambi i due elementi nella progettazione. È possibile inserire cuscinetti più grandi per aumentare la capacità di carico assiale del gruppo, e aggiungere un dado a chiave e regolarlo a una coppia predeterminata per eliminare il gioco dal sistema.

Collegamento cinque: Scelta delle opzioni di controllo

L'ultimo anello che unisce tutti gli elementi è il modo in cui il movimento lineare fisico deve essere diretto e controllato. Tradizionalmente, questo richiederebbe più componenti separati, tra cui un amplificatore e un controller. Ognuno di essi richiederebbe un cabinet e i relativi hardware, cablaggi, encoder e sensori per il feedback. Queste configurazioni possono diventare complesse e macchinose da installare, risolvere i problemi e utilizzare.

L'avvento di soluzioni di motori intelligenti pronte all'uso ha contribuito a semplificare il cablaggio e a ridurre il numero di connettori e sensori necessari per ottenere prestazioni e controllo di tipo servo-passo. Ciò consente risparmi sui costi grazie a un numero inferiore di componenti e a tempi e manodopera ridotti per l'installazione. Questi motori sono inoltre disponibili in pacchetti industrializzati preassemblati che sigillano e proteggono la scheda e il controllo da abusi o contaminazioni, con grado di protezione IP65 o IP67.

Quando un'applicazione richiede funzionalità specifiche personalizzate, ha esigenze di spazio e dimensioni ridotte al minimo, o il basso costo è un fattore critico, un controllo su scheda motore IP20 non incapsulato personalizzato è un'opzione utile. Ciò è particolarmente vero per applicazioni di grandi volumi installate in alloggiamenti o apparecchiature stilizzati. Questi attuatori offrono i vantaggi dei motori intelligenti (in genere con notevoli risparmi sui costi) e il controllo avviene direttamente sul motore per una comunicazione più semplice e veloce con il master o il PLC.