I motori lineari si stanno diffondendo sempre di più. Conferiscono alle macchine la massima precisione e prestazioni dinamiche.

I motori lineari sono estremamente veloci e precisi nel posizionamento, ma sono anche in grado di raggiungere velocità di traslazione lente e costanti per teste e slitte di macchine utensili, nonché per sistemi di movimentazione di utensili e pezzi. Numerose applicazioni, tra cui la chirurgia laser, l'ispezione visiva e la movimentazione di bottiglie e bagagli, utilizzano motori lineari perché sono estremamente affidabili, richiedono poca manutenzione e migliorano i cicli di produzione.

Velocità e forza maggiori

I motori lineari sono accoppiati direttamente al carico, eliminando una serie di componenti di accoppiamento, tra cui giunti meccanici, pulegge, cinghie di distribuzione, viti a ricircolo di sfere, trasmissioni a catena e cremagliere. Questo, a sua volta, riduce i costi e persino il gioco meccanico. I motori lineari consentono inoltre un movimento costante, un posizionamento di precisione per centinaia di milioni di cicli e velocità più elevate.

Le velocità tipiche raggiungibili con i motori lineari variano: le macchine pick and place (che effettuano molti movimenti brevi) e le apparecchiature di ispezione utilizzanomotori passo-passo linearicon velocità fino a 60 pollici/sec; applicazioni di taglio volante e macchine pick and place che effettuano spostamenti più lunghi utilizzanosenza ingranaggi senza spazzolemotori lineari per velocità fino a 200 pollici/sec; montagne russe, lanciatori di veicoli e sistemi di trasporto persone utilizzano motori lineariinduzione CAmotori per raggiungere velocità fino a 2.000 pollici/secondo.

Un altro fattore determinante per scegliere la tecnologia di motore lineare più adatta è la forza necessaria per movimentare il carico. Il carico o la massa, insieme al profilo di accelerazione dell'applicazione, determinano in ultima analisi questa forza.

Ogni applicazione presenta sfide diverse; tuttavia, in generale, i sistemi di trasferimento pezzi utilizzano motori passo-passo lineari con forze fino a 220 N o 50 lb; i sistemi per semiconduttori, taglio laser, taglio a getto d'acqua e robotica utilizzano motori brushless senza ingranaggi fino a 2.500 N; i sistemi di trasporto utilizzano motori lineari a induzione CA fino a 2.200 N; e le linee di trasferimento e le macchine utensili utilizzano motori brushless con nucleo in ferro fino a 14.000 N. È importante tenere presente che ogni applicazione è diversa e che gli ingegneri applicativi del produttore generalmente forniscono assistenza in questa fase di specifica.

Oltre alla velocità e alla forza, esistono altri fattori da considerare. Ad esempio, i sistemi di trasporto utilizzano motori a induzione CA lineari per via della loro lunga corsa e dei vantaggi derivanti dall'avere un secondario passivo senza magneti permanenti. Applicazioni come la chirurgia oculare laser e la fabbricazione di semiconduttori utilizzano motori brushless senza ingranaggi per garantire precisione e fluidità di movimento.

Funzionamento di base

I motori lineari funzionano grazie all'interazione di due forze elettromagnetiche, la stessa interazione di base che produce coppia in un motore rotativo.

Immaginate di tagliare un motore rotativo e poi di appiattirlo: questo vi darà un'idea approssimativa della geometria di un motore lineare. Invece di accoppiare il carico a un albero rotante per generare la coppia, il carico è collegato a un carrello mobile piatto per generare il movimento lineare e la forza. In breve, la coppia è l'espressione del lavoro svolto da un motore rotativo, mentre la forza è l'espressione del lavoro svolto da un motore lineare.

Precisione

Consideriamo innanzitutto un sistema rotativo passo-passo tradizionale: collegato a una vite a ricircolo di sfere con un passo di 5 giri per pollice, la precisione è di circa 0,004-0,008 pollici, ovvero 0,1-0,2 mm. Un sistema rotativo azionato da un servomotore ha una precisione di 0,001-0,0001 pollici.

Al contrario, un motore lineare accoppiato direttamente al suo carico offre una precisione che va da 0,0007 a 0,000008 pollici. Si noti che il gioco di accoppiamento e quello della vite a ricircolo di sfere non sono inclusi in questi valori e che degradano ulteriormente la precisione dei sistemi rotativi.

La precisione relativa varia: il tipico motore passo-passo rotativo che descriviamo qui può ancora posizionare con una precisione entro il diametro di un capello umano. Detto questo, i servomotori migliorano questa precisione fino a 80 volte, mentre un motore lineare può migliorarla ulteriormente, fino a 500 volte il diametro di un capello umano.

A volte la manutenzione e i costi (nell'arco della vita utile dell'apparecchiatura) sono considerazioni più importanti della precisione. Anche in questo caso i motori lineari eccellono: i costi di manutenzione generalmente diminuiscono con l'utilizzo di motori lineari, poiché le parti senza contatto migliorano il funzionamento della macchina e aumentano il tempo medio tra i guasti. Inoltre, l'assenza di gioco dei motori lineari elimina gli urti, prolungando ulteriormente la durata della macchina. Altri vantaggi: è possibile aumentare il tempo tra i cicli di manutenzione, consentendo un flusso operativo più efficiente. Una minore manutenzione e un minor numero di addetti coinvolti migliorano il risultato finale, ovvero il profitto, e riducono il costo totale di proprietà dell'apparecchiatura.

Benefici confrontati

Le applicazioni richiedono un movimento lineare. Se si utilizza un motore rotativo, è necessario un meccanismo di conversione meccanica per trasformare il movimento rotatorio in movimento lineare. In questo caso, i progettisti selezionano il meccanismo di conversione più adatto all'applicazione, riducendo al minimo le limitazioni.

• Motore lineare contro cinghia e puleggia:Per ottenere un movimento lineare da un motore rotativo, un approccio comune consiste nell'utilizzare una cinghia e una puleggia. In genere, la forza di spinta è limitata dalla resistenza alla trazione della cinghia; avviamenti e arresti rapidi possono causare l'allungamento della cinghia e quindi la risonanza, con conseguente aumento del tempo di assestamento. L'avvolgimento meccanico, il gioco e l'allungamento della cinghia riducono inoltre la ripetibilità, la precisione e la produttività della macchina. Poiché velocità e ripetibilità sono fondamentali nel movimento servoassistito, questa non è la scelta migliore. Mentre un sistema cinghia-puleggia può raggiungere i 3 m/sec, un motore lineare può arrivare a 10 m/sec. Senza gioco o avvolgimento, i motori lineari ad azionamento diretto migliorano ulteriormente la ripetibilità e la precisione.
• Motore lineare contro cremagliera e pignone:I sistemi a cremagliera e pignone offrono maggiore spinta e rigidità meccanica rispetto ai sistemi a cinghia e puleggia. Tuttavia, l'usura bidirezionale nel tempo porta a una ripetibilità discutibile e a imprecisioni, che rappresentano il principale svantaggio di questo meccanismo. Il gioco meccanico impedisce al motore di rilevare la posizione effettiva del carico, causando instabilità e riducendo i guadagni e le prestazioni complessive. Al contrario, le macchine azionate da motori lineari sono più veloci e si posizionano con maggiore precisione.
• Motore lineare contro vite a ricircolo di sfere:L'approccio più comune per convertire il movimento rotatorio in lineare consiste nell'utilizzare una vite senza fine o una vite a ricircolo di sfere. Queste soluzioni sono economiche ma meno efficienti: le viti senza fine in genere offrono un'efficienza pari o inferiore al 50%, mentre le viti a ricircolo di sfere raggiungono circa il 90%. L'elevato attrito genera calore e l'usura a lungo termine riduce la precisione. La corsa è limitata meccanicamente. Inoltre, i limiti di velocità lineare possono essere estesi solo aumentando il passo, ma ciò degrada la risoluzione di posizionamento; una velocità di rotazione eccessivamente elevata può anche causare oscillazioni della vite, con conseguenti vibrazioni. I motori lineari offrono corse lunghe e illimitate. Con un encoder sul carico, la precisione a lungo termine è in genere di ±5 µm/300 mm.

Tipi base di motori lineari

Così come esistono diverse tecnologie per i motori rotativi, esistono anche diverse tipologie di motori lineari: passo-passo, brushless e a induzione CA lineare, tra gli altri. È importante notare che la tecnologia lineare utilizza azionamenti (amplificatori), posizionatori (controllori di movimento) e dispositivi di feedback (come sensori di Hall ed encoder) comunemente disponibili nell'industria.

Molti progetti traggono vantaggio da motori lineari personalizzati, ma in genere i modelli standard sono adatti.

Motori lineari senza spazzole con nucleo in ferroSono caratterizzati da lamierini d'acciaio nella parte mobile per canalizzare il flusso magnetico. Questo tipo di motore ha valori di forza più elevati ed è più efficiente, ma pesa da tre a cinque volte di più rispetto a motori senza ingranaggi di dimensioni comparabili. Il piatto fisso è costituito da magneti permanenti multipolari a polarità alternata incollati su una piastra di acciaio nichelato laminato a freddo. I lamierini d'acciaio sulla parte mobile, tuttavia, reagiscono con i magneti sul piatto fisso, sviluppando una forza "attrattiva" e manifestando una piccola quantità di cogging o ondulazione quando il motore si sposta da un campo magnetico all'altro, con conseguenti variazioni di velocità.

Questi motori sviluppano una grande forza di picco, hanno una maggiore massa termica e una lunga costante di tempo termica, quindi sono adatti per applicazioni ad alta forza e a ciclo di lavoro intermittente per movimentare carichi molto pesanti, come nelle linee di trasferimento e nelle macchine utensili; sono progettati per una corsa illimitata e possono includere più piani mobili con traiettorie sovrapposte.

Motori senza spazzole e senza ingranaggiIl dispositivo di forzatura mobile è dotato di un gruppo bobina senza lamierini in acciaio. La bobina è composta da filo, resina epossidica e una struttura di supporto non magnetica. Questa unità è molto più leggera. Il design di base produce una forza inferiore, quindi vengono inseriti magneti aggiuntivi sulla pista fissa (per aumentare la forza) e la pista ha una forma a U con magneti su ciascun lato di questa U. Il dispositivo di forzatura è inserito al centro della U.

Questi motori sono adatti ad applicazioni che richiedono un funzionamento fluido senza effetto di cogging magnetico, come ad esempio apparecchiature di scansione o ispezione. Le loro elevate accelerazioni sono utili nel prelievo e posizionamento di semiconduttori, nella selezione di chip e nell'erogazione di saldature e adesivi. Questi motori sono progettati per una corsa illimitata.

motori passo-passo lineariSono disponibili da tempo; il motore di azionamento è costituito da nuclei in acciaio laminato con scanalature dentate precise, un singolo magnete permanente e bobine inserite nel nucleo laminato. (Si noti che due bobine danno origine a un motore passo-passo bifase.) Questo gruppo è incapsulato in un alloggiamento di alluminio.

Il piano fisso è costituito da denti incisi fotochimicamente su una barra d'acciaio rettificata e nichelata. Può essere impilato uno di seguito all'altro per ottenere una lunghezza illimitata. Il motore viene fornito completo di forzatore, cuscinetti e piano. La forza di attrazione del magnete viene utilizzata come precarico per i cuscinetti; inoltre, consente all'unità di funzionare in posizione invertita per una varietà di applicazioni.

Motori a induzione CAIl dispositivo è costituito da un forzatore, ovvero un insieme di bobine composto da lamierini di acciaio e avvolgimenti di fase. Gli avvolgimenti possono essere monofase o trifase. Ciò consente il controllo diretto in linea, oppure il controllo tramite un inverter o un azionamento vettoriale. Il piatto fisso (detto piastra di reazione) è solitamente costituito da un sottile strato di alluminio o rame incollato su acciaio laminato a freddo.

Una volta alimentata, la bobina di forzatura interagisce con la piastra di reazione e si muove. Velocità elevate e corse illimitate sono i punti di forza di questo design, che trova impiego nella movimentazione dei materiali, nei sistemi di trasporto persone, nei nastri trasportatori e nei cancelli scorrevoli.

Nuovi concetti di design

Alcuni dei più recenti miglioramenti progettuali sono stati implementati tramite riprogettazione. Ad esempio, alcuni motori passo-passo lineari (originariamente progettati per fornire movimento su un solo piano) sono ora riprogettati per fornire movimento su due piani, ovvero per il movimento XY. In questo caso, il dispositivo di forzatura mobile è costituito da due motori passo-passo lineari montati ortogonalmente a 90°, in modo che uno fornisca il movimento sull'asse X e l'altro sull'asse Y. È anche possibile utilizzare più dispositivi di forzatura con traiettorie sovrapposte.

In questi motori a due piani, la piattaforma fissa (o piastra) utilizza una nuova struttura composita per garantire robustezza. Anche la rigidità è stata migliorata, riducendo la flessione dal 60 all'80% rispetto ai modelli di produzione precedenti. La planarità della piastra supera i 14 micron per 300 mm, assicurando movimenti precisi. Infine: grazie alla naturale forza di attrazione dei motori passo-passo, questo concetto consente di montare la piastra sia in posizione verticale che invertita, offrendo così versatilità e flessibilità per diverse applicazioni.

Un'altra innovazione ingegneristica, il raffreddamento ad acqua, estende del 25% la capacità di forza dei motori a induzione CA lineari. Grazie a questo ampliamento di capacità, nonché al vantaggio di una corsa illimitata, i motori a induzione CA offrono prestazioni eccellenti per numerose applicazioni: giostre, movimentazione bagagli e sistemi di trasporto persone. La velocità è variabile (da 6 a 2.000 pollici/sec) tramite azionamenti a velocità variabile attualmente disponibili sul mercato.

Un altro tipo di motore comprende un alloggiamento cilindrico fisso con una parte mobile lineare per generare il movimento. La parte mobile può essere un'asta in acciaio rivestito di rame, una bobina mobile o un magnete mobile, come un pistone all'interno di un cilindro.

Questi progetti offrono i vantaggi di un motore lineare, con prestazioni simili a quelle di un attuatore lineare. Le applicazioni includono colonscopie biomediche, fotocamere con attuatori a otturatore lungo, telescopi che richiedono lo smorzamento delle vibrazioni, motori di messa a fuoco per la litografia, quadri elettrici per generatori che azionano gli interruttori per avviare i generatori e presse per alimenti, come ad esempio per stampare le tortillas.

Per il posizionamento di carichi utili sono adatti pacchetti o stadi completi di motori lineari. Questi sono composti da motore, encoder di feedback, finecorsa e portacavi. È possibile impilare più stadi per ottenere movimenti multiasse.

Uno dei vantaggi degli stadi lineari è il loro profilo più basso, che consente di installarli in spazi più ristretti rispetto ai posizionatori convenzionali. Un minor numero di componenti si traduce in una maggiore affidabilità. In questo caso, il motore è collegato a un azionamento standard. In un funzionamento a circuito chiuso, l'anello di controllo della posizione è chiuso da un controllore di movimento.

Anche in questo caso, oltre ai prodotti standard, sono disponibili numerose soluzioni personalizzate e speciali. In definitiva, è consigliabile discutere le esigenze di attrezzatura con un ingegnere applicativo per determinare il prodotto lineare ottimale per le specifiche necessità dell'applicazione.