Dimensionare un attuatore lineare significa calcolare la forza, la velocità e la corsa necessarie, quindi confrontare questi valori con la capacità effettiva dell'attuatore. Bisogna anche considerare il ciclo di lavoro, dove opererà e come verrà montato. Non dimenticare i margini di sicurezza, perché i requisiti minimi devono essere da 1,5 a 2 volte superiori a quelli calcolati.
Fase 1: determinare i requisiti di forza e calcolare l'input del motore
La prima cosa da definire è quanta potenza di spinta o di trazione necessita il tuo attuatore. Ci sono diverse forze in gioco, e tutte si sommano.
Forza statica
Questa è la parte semplice. Prendi il peso di ciò che stai spostando, moltiplica la massa per la gravità e aggiungi l'attrito che stai affrontando. Se stai sollevando qualcosa in verticale, la gravità ti contrasta per tutto il percorso. Se stai spostando qualcosa in orizzontale? Stai combattendo principalmente contro l'attrito.
Forza dinamica dall'inerzia
Ed è qui che la cosa si fa più interessante. Quando si accelera o si rallenta il carico, entra in gioco l'inerzia, che richiede una forza aggiuntiva. Il calcolo è piuttosto semplice:
- La forza è uguale alla massa per l'accelerazione
- Per trovare l'accelerazione, dividi la velocità a cui vuoi andare per il tempo che impieghi per arrivarci
- I profili di movimento triangolari (passano da zero alla velocità di picco, quindi tornano immediatamente a zero) necessitano delle forze di accelerazione più elevate
- I profili trapezoidali (accelerazione, velocità di crociera costante, quindi decelerazione) distribuiscono le forze e riducono i requisiti di picco
Carichi angolati e fattori di sicurezza
Se l'attuatore spinge o tira ad angolo anziché in linea retta, è necessario calcolare la componente di forza lungo la linea centrale dell'attuatore. Il caso più difficile si verifica solitamente quando l'attuatore è completamente retratto, perché è lì che l'angolo è più accentuato.
Dopo aver sommato tutti i dati, moltiplicare per un fattore di sicurezza compreso tra 1,5 e 2. Questo cuscinetto gestisce situazioni impreviste e mantiene le cose in funzione in modo affidabile nel lungo periodo.
Calcola i requisiti di input del motore
Una volta che conosci le forze e le velocità per ogni fase del ciclo, puoi calcolare cosa deve fornire il motore. Per ogni fase del ciclo, avrai bisogno di:
Coppia di ingresso: Min = (F · p · 100) / (2π · ηvite) · 100 / (i · ηaccoppiatore)
Dove:
- F = Forza richiesta in questa fase (N)
- p = Passo della vite (mm)
- ηscrew = Efficienza della vite (%)
- i = Rapporto di riduzione
- ηcoupler = Efficienza dell'accoppiatore (%)
Velocità di ingresso: nin = (60 · i · v) / p
Dove:
- v = Velocità di uscita della vite richiesta in questa fase (mm/s)
- i = Rapporto di riduzione
- p = Passo della vite (mm)
Questi calcoli ti dicono quale coppia e velocità il motore deve fornire in ogni punto del ciclo, il che ti aiuta seleziona il motore giusto per abbinarlo al tuo attuatore.
Fase 2: definire i requisiti di velocità e corsa
Una volta individuata la forza necessaria, è il momento di mappare come si muove effettivamente il carico.
Lunghezza del tratto
Misura la distanza percorsa dal carico da un'estremità all'altra. Questa distanza rappresenta la corsa richiesta e qualsiasi attuatore tu scelga deve gestire almeno quella corsa.
Profilo di velocità e movimento
Quanto velocemente deve muoversi il carico? Di solito la velocità è misurata in millimetri al secondo o pollici al secondo. Ecco una cosa da ricordare: velocità e forza interagiscono tra loro nella maggior parte degli attuatori. Una maggiore potenza di spinta in genere comporta una velocità massima inferiore a causa della configurazione degli ingranaggi.
Calcola la velocità necessaria per raggiungere la velocità massima e quella necessaria per fermarti. Questo si ricollega direttamente ai calcoli della forza:
- I profili triangolari si muovono più velocemente ma richiedono forze maggiori
- I profili trapezoidali richiedono più tempo ma alleggeriscono le esigenze di forza di picco
- Un'accelerazione più rapida equivale sempre a forze dinamiche più elevate
Fase 3: verificare i requisiti di velocità rispetto ai limiti dell'attuatore
L'attuatore non funziona in un ambiente di laboratorio perfetto, quindi le condizioni reali e i limiti meccanici sono fondamentali. È necessario verificare tre diversi controlli di velocità per assicurarsi che l'attuatore sia in grado di gestire le richieste.
Controllo 1: Velocità critica vs velocità massima
Le viti a passo lungo possono entrare in risonanza a determinate velocità, un po' come una corda di chitarra che vibra. Questa velocità critica dipende dalla lunghezza della corsa e dal tipo di supporto della vite. La velocità critica standard (Vcr_std) è indicata nella scheda tecnica dell'attuatore in base alla configurazione del cuscinetto (supporto singolo fisso o libero fisso).
Se la tua corsa è diversa dallo standard, calcola la velocità critica effettiva:
Vcr_l = Vcr_std · (lstd² / ls²)
Dove:
- Vcr_std = Velocità critica standard dal foglio dati (mm/s)
- lstd = Lunghezza corsa standard (mm)
- ls = La lunghezza effettiva della tua corsa (mm)
Assicuratevi che la velocità massima del ciclo rimanga al di sotto di questa velocità critica, altrimenti si verificheranno vibrazioni e un'usura accelerata.
Controllo 2: Velocità di picco in uscita rispetto alla velocità massima richiesta
Consulta la scheda tecnica di ciascun rapporto di trasmissione disponibile e verifica che la velocità di picco in uscita (Vp max) superi la velocità massima richiesta (Vmax). Non tutti i rapporti di trasmissione funzioneranno perché rapporti di forza più elevati vanno a discapito della velocità massima raggiungibile.
Controllo 3: Velocità di uscita continua vs velocità media
L'attuatore potrebbe gestire bene le velocità di picco, ma surriscaldarsi se la velocità media sull'intero ciclo supera la sua potenza nominale continua. Calcola la velocità media in uscita durante il ciclo:
Vm = Σ(vi · ti / ttot)
Dove:
- vi = Velocità ad ogni passo del ciclo (mm/s)
- ti = Tempo trascorso a quella velocità (s)
- ttot = Tempo di ciclo totale (s)
Questa media ponderata indica la capacità di velocità continua effettivamente necessaria. Verifica che la velocità nominale di uscita continua (Vc max) per il rapporto di trasmissione scelto superi questa media.
Considerazioni sul ciclo di lavoro
Il ciclo di lavoro indica la percentuale di tempo in cui l'attuatore è in funzione rispetto a quella in cui è a riposo. Un ciclo di lavoro 25% significa che è in funzione per un quarto del tempo e rimane inattivo per i restanti tre quarti. I lavori leggeri possono essere eseguiti con valori nominali inferiori, ma se si lavora frequentemente o senza soste, è necessario un modello con valori nominali per cicli di lavoro più elevati o funzionamento continuo.
Se si spinge un attuatore oltre il suo ciclo di lavoro nominale, questo si surriscalda. Il calore degrada i lubrificanti e usura più rapidamente i componenti, soprattutto nelle viti con madrevite e nelle viti a sfere, dove la lubrificazione garantisce il corretto funzionamento di tutto.
Fase 4: verificare i requisiti di forza e le condizioni ambientali
Ora è necessario verificare che l'attuatore sia in grado di gestire le forze senza deformarsi, sovraccaricarsi o guastarsi nel tempo.
Controllo 1: Forza di instabilità vs Forza massima
Corse lunghe sotto compressione possono deformarsi come una colonna che sostiene un peso eccessivo. La scheda tecnica fornisce la forza di deformazione standard (Fb_std) per la configurazione del cuscinetto. Se la corsa è diversa dallo standard, calcolare la forza di deformazione effettiva:
Fb_l = Fb_std · (lstd² / ls²)
Dove:
- Fb_std = Forza di instabilità standard dal foglio dati (N)
- lstd = Lunghezza corsa standard (mm)
- ls = La lunghezza effettiva della tua corsa (mm)
Assicuratevi che questa forza di deformazione superi la forza massima richiesta (Fmax) con un margine adeguato. Notate come corse più lunghe riducano drasticamente la resistenza alla deformazione, perché la lunghezza della corsa è elevata al quadrato al denominatore.
Controllo 2: Forza assiale di picco vs forza massima richiesta
Per ogni rapporto di trasmissione disponibile, verificare che la forza assiale massima (Fp max) superi la forza massima richiesta (Fmax). La scheda tecnica mostra questi limiti per ogni rapporto di trasmissione e stadio di trasmissione.
Controllo 3: Forza assiale continua vs forza media
Proprio come per la velocità, è necessario calcolare la forza media durante il ciclo per verificare che non superi i valori nominali continui. Questo calcolo utilizza la radice quadrata della media aritmetica, perché la forza influisce sull'usura in modo più significativo rispetto alla velocità:
Fm = ³√[Σ(Fj³ · nj · tj / ttot) / nm]
Dove:
- Fj = Forza ad ogni passo del ciclo (N)
- nj = Numero di cambi di direzione a quel livello di forza
- tj = Tempo impiegato per quella forza (s)
- ttot = Tempo di ciclo totale (s)
- nm = Numero totale di cambi di direzione nel ciclo
Verificare che la forza assiale continua nominale (Fc max) per il rapporto di trasmissione scelto superi questa forza media calcolata.
Condizioni ambientali
Pensa a dove funzionerà effettivamente questo dispositivo. Quali temperature raggiungerà? C'è polvere in giro, umidità nell'aria o sostanze chimiche che potrebbero causare problemi? Tutto questo determina il grado di protezione di cui hai bisogno. IP67 gestisce abbastanza bene la polvere e l'esposizione breve all'acqua, mentre IP68 aumenta la protezione per le condizioni più difficili.
Se si ha a che fare con ambienti corrosivi o problemi di contaminazione, è opportuno cercare rivestimenti protettivi e strutture sigillate. Attuatori elettrici lineari moderni di solito vengono con Protezione IP67 di serie, con grado di protezione IP68 disponibile se necessario, oltre a finiture resistenti alla corrosione che resistono anche in ambienti industriali difficili.
Aspettativa di vita
Quante volte questo attuatore deve essere sottoposto a cicli durante la sua vita utile? I modelli con viti a sfere in genere durano più a lungo e si posizionano con maggiore precisione rispetto ai modelli con viti madri, ma hanno un costo iniziale maggiore. Se si considerano milioni di cicli, questo aspetto diventa piuttosto importante.
Fase 5: Calcolare i requisiti di potenza e verificare la selezione
Il controllo finale consiste nel verificare che l'attuatore sia in grado di fornire la potenza meccanica necessaria all'applicazione.
Calcola la potenza meccanica
Per ogni fase del ciclo, calcola la potenza meccanica richiesta:
Pj = (vj · Fj) / 1000
Dove:
- vj = Velocità in questo passaggio (mm/s)
- Fj = Forza in questo passaggio (N)
- Il risultato è in Watt (W)
Calcola la potenza massima in tutte le fasi del ciclo. Questa potenza di picco (Pmax) deve rimanere al di sotto del limite di potenza in uscita dell'attuatore (Pout_max) per il rapporto di trasmissione selezionato. La scheda tecnica mostra questi limiti di potenza per ogni fase di azionamento.
Abbina le specifiche ai modelli disponibili
Ora stai confrontando i tuoi calcoli con le prestazioni effettive degli attuatori. Quando consulti le schede tecniche, considera queste specifiche chiave:
| Specifica | Cosa cercare |
| Gamma di forza | Da 2000N a 40000N a seconda delle esigenze |
| Modalità di controllo | Funzionamento on/off, modulante o continuo |
| Integrazione di sistema | Opzioni di controllo intelligente o bus di campo, se necessario |
| Protezione ambientale | Alloggiamento antideflagrante per luoghi pericolosi |
Requisiti di potenza e fisici
Verifica che i requisiti di tensione e corrente siano compatibili con il tuo alimentatore. Ecco alcuni accorgimenti da non tralasciare:
- Picco di corrente assorbita durante l'accelerazione, quando si ottiene la massima potenza
- Adattamento fisico sia in posizione retratta che completamente estesa
- Spazio per staffe di montaggio e qualsiasi hardware girevole
- Spazio per il passaggio dei cavi e l'accesso alla manutenzione
Stile di montaggio e caratteristiche di sicurezza
Verifica che la configurazione di montaggio sia adatta alla tua applicazione. Le opzioni più comuni includono supporti a forcella quando è necessario un movimento rotatorio, supporti a flangia per installazioni fisse e supporti a perno per applicazioni che richiedono la rotazione attorno all'asse centrale dell'attuatore.
Cercate funzionalità di sicurezza integrate, come finecorsa elettrici che arrestano automaticamente la corsa e prevengono danni da extracorsa. Il feedback di posizione diventa importante se avete bisogno di un controllo preciso o se state integrando il sistema in un sistema automatizzato. I moderni design compatti semplificano l'installazione, ma è comunque necessario verificarne la compatibilità con la configurazione specifica.
Ripetere se necessario
Se dopo aver eseguito questi calcoli non trovi nulla che soddisfi tutti i tuoi requisiti, hai delle opzioni. Riduci la velocità o l'accelerazione per ridurre la richiesta di forza. Regola la geometria di montaggio per un migliore vantaggio meccanico. Oppure cambia la tecnologia dell'attuatore, ad esempio passando dalla costruzione con vite madre a quella con vite a sfere. A volte scopri che un diverso rapporto di trasmissione risolve più problemi contemporaneamente.
Mettere tutto insieme
Per dimensionare correttamente, è necessario seguire questi cinque passaggi in ordine. Calcolare le forze con opportuni ammortizzatori di sicurezza, mappare il profilo di movimento con i requisiti di coppia e velocità in ingresso, verificare i limiti di velocità critica e di deformazione rispetto alla lunghezza della corsa, confrontare le prestazioni continue con le medie calcolate utilizzando le formule appropriate, quindi confermare la potenza in uscita e i lavori di montaggio.
Probabilmente dovrai ripetere più volte prima di trovare qualcosa che soddisfi tutti i tuoi requisiti, ed è normale. Fai degli aggiustamenti dove puoi finché non trovi una soluzione che soddisfi effettivamente le tue esigenze, garantendo al contempo prestazioni affidabili nel tempo.
