In ogni settore industriale c’è la costante ricerca di nuove tecnologie che permettano di incrementare i risultati, aumentando prestazioni ed efficienza generale. Gli attuatori sono dei dispositivi che permettono la trasformazione di un tipo di energia, o movimento, in un altro; nello specifico, gli attuatori lineari sono utilizzati per trasformare un moto di tipo rotatorio, come quello generato da un motore a corrente continua, convertendolo in un moto lineare.
Tipi di Attuatori
Gli attuatori si dividono in tre tipi, a seconda della fonte di energia utilizzata per il loro azionamento: attuatori pneumatici (che utilizzano aria compressa), attuatori idraulici (che utilizzano olio sotto pressione) e attuatori elettrici.
- Attuatori idraulici: utilizzano fluido pressurizzato, tipicamente olio, per generare movimento.
- Attuatori pneumatici: utilizzano aria compressa per generare movimento.
- Attuatori elettrici: utilizzano l'energia elettrica per generare movimento.
Attuatori Lineari e Rotativi
Gli attuatori lineari e rotanti sono due tipi comuni di attuatori utilizzati per generare movimento lineare e rotatorio. Gli attuatori lineari vengono utilizzati per spostare oggetti in linea retta, come sollevare e abbassare un tavolo: il cosiddetto movimento lineare. Al contrario, gli attuatori rotanti ruotano gli oggetti attorno a un asse, ad esempio aprendo e chiudendo una valvola.
- Attuatore lineare: produce un moto lineare, ossia sposta gli oggetti lungo un percorso diritto.
- Attuatore rotativo: produce un movimento rotatorio, ossia ruota gli oggetti intorno a un asse.
Attuatore Lineare
Un attuatore lineare è comunemente utilizzato in applicazioni in cui è richiesto un moto lineare, come sollevare, spingere, tirare o posizionare oggetti lungo un percorso diritto. Un attuatore lineare è vantaggioso per le applicazioni che richiedono un posizionamento e un comando lineari precisi. A seconda del design specifico e del meccanismo utilizzato, un attuatore lineare può avere limitazioni in termini di lunghezza corsa e forza erogata.
Attuatore Rotativo
Un attuatore rotativo può presentare limitazioni in termini di intervallo di rotazione e coppia erogata, a seconda del design specifico e del meccanismo utilizzato.
La scelta tra attuatore lineare o attuatore rotativo dipende dai requisiti specifici dell'applicazione, incluso il tipo di movimento necessario (lineare o rotativo), lo spazio disponibile, i requisiti di forza o coppia, la precisione e altri fattori.
Funzionamento degli Attuatori Lineari
Un attuatore lineare è composto quindi da un meccanismo che permette di convertire l’energia ricevuta, oppure un movimento rotante, in movimento in avanti o indietro lungo una linea retta.
- Ruota e asse: appartengono a questa tipologia gli argani e le cinghie o le catene di trasmissione. La ruota girevole mette in movimento una catena o una cinghia producendo un movimento lineare.
- A camme: la sagoma della camma, messa in rotazione da un albero, fornisce una spinta ad altri componenti del meccanismo.
- Attuatori idraulici: l’attuatore è collegato a una pompa esterna e messo in funzione dalla pressione del liquido, che spinge un pistone inserito all’interno di un cilindro.
- Attuatori pneumatici: il funzionamento è paragonabile a quello degli attuatori idraulici, ma in questo caso il fluido utilizzato per il movimento è l’aria, fornita da un compressore.
Attuatori Idraulici: Vantaggi e Svantaggi
Gli attuatori idraulici utilizzano fluido pressurizzato, tipicamente olio, per generare movimento, offrendo un'elevata forza e un comando preciso per applicazioni di moto lineare. Il fatto che il fluido di alimentazione sia incompressibile fa sì che questi attuatori sopportino forze maggiori rispetto agli attuatori pneumatici e che siano quindi più adatti ai carichi pesanti.
Rispetto agli attuatori pneumatici, inoltre, quelli idraulici permettono di controllare più facilmente la velocità. Per farlo basterà infatti regolare la quantità di fluido che entra nelle camere del cilindro.
Gli attuatori idraulici richiedono fluido idraulico, che deve essere contenuto, monitorato e talvolta sostituito, e ciò comporta requisiti di manutenzione più complessi. Inoltre, non raggiungono la velocità degli attuatori pneumatici, e che eventuali perdite d’olio possono ridurre la loro efficienza, anche perché la circolazione del fluido nei tubi genera a sua volta una certa perdita di carico. Ricordiamo inoltre che le alte pressioni (tra 50 e 700 bar) aumentano il rischio di incidenti e che l’olio, essendo infiammabile, comporta un maggiore rischio di incendio. Per finire, è opportuno sottolineare che non si tratta di dispositivi economici, nella misura in cui i loro componenti sono costosi e la loro manutenzione preventiva piuttosto onerosa.
Attuatori Pneumatici: Caratteristiche
Gli attuatori pneumatici, invece, utilizzano aria compressa per generare movimento. Grazie alla loro alimentazione ad aria compressa, che non comporta alcun componente elettrico, gli attuatori pneumatici riducono i rischi di esplosione e di incendio. Questi attuatori trovano largo impiego anche nei sistemi di automazione industriale. I modelli pneumatici sono peraltro i più venduti, anche perché sono più economici, durevoli e facili da installare. Gli attuatori pneumatici funzionano generalmente con una pressione di circa 6 bar. La loro velocità è alta e generalmente compresa tra 0,2 e 0,3 m/s. La forza, invece, dipende dal diametro interno dell’attuatore.
Gli attuatori pneumatici hanno una forza teorica di avanzamento compresa tra 20 N e 50.000 N ad una pressione compresa tra 4 e 8 bar.
Attuatori Elettrici: Un'Alternativa
Per quanto riguarda le esigenze di movimentazione lineare, si sta dimostrando sempre più utile puntare sui vantaggi di un sistema elettrico rispetto a uno idraulico o pneumatico.
Vantaggi del Sistema Elettrico
Gli attuatori lineari elettrici possono sostituire i cilindri idraulici o pneumatici offrendo al tempo stesso una serie di vantaggi, a differenza di questi altri sistemi:
- Sono più performanti: Hanno un’elevata accuratezza nel posizionamento, raggiungono alte velocità mantenendo un costante controllo sulla corsa e offrono la possibilità di arrestare o ripetere il movimento in tempi anche brevissimi.
- Sono più economici: Sia in termini di sviluppo che di manutenzione del prodotto. I tempi di progettazione e produzione di un attuatore lineare elettrico sono più rapidi e, una volta installato, richiede pochissima manutenzione, oltre a permettere un notevole risparmio energetico.
- Sono più ecologici: Questi sistemi utilizzano l’elettricità, che è un’energia “green”. I livelli di inquinamento, in termini di impatto ambientale, calore disperso e rumore prodotto, sono minimi.
Inoltre il fatto di non utilizzare olio rende gli attuatori lineari elettrici adatti al lavoro in ambienti sterili (medicale, farmaceutico, alimentare), in quanto esenti da perdite che potrebbero causare dannose contaminazioni.
Attuatori a Singolo e Doppio Effetto
Più precisamente, in un attuatore a doppio effetto la pressione viene applicata alternativamente su entrambi i lati del pistone in maniera da spostare quest’ultimo in avanti e indietro. In un attuatore a singolo effetto, invece, la pressione viene applicata su un lato solo, e il pistone si sposta quindi in un’unica direzione.
La scelta tra questi due tipi di attuatore dipenderà principalmente dalle esigenze applicative. Gli attuatori a doppio effetto sono adatti a macchine che esercitano una forza in entrambe le direzioni, come ad esempio i carroponti. Essendo più flessibili, permettono infatti di regolare l’ammortizzazione nelle posizioni di fine corsa e offrono un migliore controllo della velocità. Gli attuatori a effetto singolo, o a effetto semplice, dal canto loro, rappresentano una buona opzione qualora la forza debba essere esercitata in un’unica direzione, come ad esempio nei montanti di sollevamento. Gli attuatori a effetto singolo sono dispositivi più economici e consumano meno fluido rispetto agli attuatori a doppio effetto.
Criteri di Scelta per un Attuatore
Per scegliere un attuatore è necessario prendere in considerazione alcuni fattori e, per prima cosa, il tipo di movimento. In base ad esso, infatti, possiamo distinguere gli attuatori rotativi, che producono, come lo dice il nome stesso, un movimento rotatorio, dagli attuatori lineari, che producono invece un movimento rettilineo.
Per finire, opteremo, a seconda dell’uso previsto, per un attuatore a singolo o a doppio effetto.
La scelta tra attuatore pneumatico, attuatore idraulico e attuatore elettrico dipende dall’uso previsto nonché dal carico e dalla velocità richiesti. Gli attuatori idraulici, ad esempio, rappresentano la migliore opzione in termini di potenza e sono la soluzione ideale per spostare carichi pesanti. Gli attuatori pneumatici, invece, vengono scelti soprattutto per la loro velocità. Per quanto riguarda gli attuatori elettrici, ricordiamo che non devono essere utilizzati in atmosfere potenzialmente esplosive (ATEX).
Altri due criteri di scelta per l’acquisto di un attuatore sono la semplicità di installazione e di funzionamento.
Quando Scegliere un Attuatore Elettrico?
Per prima cosa, possiamo consigliare a coloro che sono alla ricerca un attuatore facile da installare e da utilizzare di optare per un attuatore elettrico. Gli attuatori elettrici, inoltre, sono particolarmente adatti per le applicazioni in cui sono richieste posizioni di arresto intermedie e/o estremamente precise.
Prima di procedere all’acquisto di un attuatore elettrico, tuttavia, dovremo valutare altri due aspetti importati. In secondo luogo, terremo a mente che l’uso di apparecchiature elettriche nelle zone ATEX è fortemente sconsigliato, in quanto possono essere all’origine di esplosioni e incendi.
Quando Scegliere un Attuatore Pneumatico?
Grazie alla loro alimentazione ad aria compressa, che non comporta alcun componente elettrico, gli attuatori pneumatici riducono i rischi di esplosione e di incendio.
Quando Scegliere un Attuatore Idraulico?
Gli attuatori idraulici sono alimentati da un fluido idraulico incompressibile, più precisamente da un olio. Il fatto che il fluido di alimentazione sia incompressibile fa sì che questi attuatori sopportino forze maggiori rispetto agli attuatori pneumatici e che siano quindi più adatti ai carichi pesanti.
Attuatori Elettrici Lineari: Applicazioni
Gli attuatori elettrici lineari sono dispositivi utilizzati per eseguire movimentazioni in spinta o tiro tramite un’asta cilindrica. Essi tuttavia hanno il vantaggio di essere di facile installazione e di ingombri ridotti (nessuna centralina o pompa esterna per la gestione della pressione dell’aria o dell’olio).
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