In un’ampia gamma di settori, come l’industria manifatturiera, la robotica e le apparecchiature mediche, gli attuatori svolgono il ruolo di azionare i macchinari. Il termine “attuatore” è un termine generico che indica i dispositivi che, utilizzando energia elettrica, idraulica o pneumatica, provocano lo spostamento di parti mobili. Vengono utilizzati in tantissimi contesti di vita quotidiana, come i meccanismi di apertura e chiusura delle porte automatiche o l’azionamento delle articolazioni dei bracci robotici.Anche se si parla genericamente di “attuatori”, ne esistono diversi tipi, tra cui quelli elettrici, pneumatici e idraulici, e il loro funzionamento e il campo di applicazione in cui eccellono variano da modello a modello.
In questo articolo spiegheremo in modo sistematico tutto ciò che riguarda gli attuatori: dalla definizione di base al funzionamento dei vari tipi, fino alle applicazioni più comuni. Abbiamo anche riassunto i punti chiave per la scelta in base all’applicazione, così potrai usare queste informazioni come riferimento per la progettazione dei prodotti e la selezione dei componenti.
Definizione e funzionamento di base degli attuatori
Gli attuatori sono dispositivi di azionamento utilizzati in settori quali l’industria manifatturiera, la robotica, le apparecchiature mediche e l’industria automobilistica. Hanno la funzione di trasformare l’energia in ingresso in un movimento fisico e vengono integrati come elementi indispensabili per il controllo del funzionamento di vari macchinari.Per fare un esempio di vita quotidiana, gli attuatori sono integrati nei meccanismi di apertura e chiusura delle porte automatiche e nelle articolazioni dei bracci robotici, e vengono utilizzati in un’ampia gamma di contesti, non solo in ambito industriale.
Per capire bene come funziona un attuatore, devi prima di tutto chiarirti le idee sulle definizioni e sulle sue funzioni, per poi approfondire in modo sistematico la sua struttura interna e i diversi tipi di funzionamento.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Il ruolo dell’attuatore
- La struttura di base che trasforma l’energia in movimento
- I tre movimenti generati dall’attuatore
Da qui in poi, vedremo uno dopo l’altro la definizione e la funzione degli attuatori, il rapporto tra fonte di energia e meccanismo di azionamento, e i tre tipi di movimento: lineare, rotativo e oscillante.
Il ruolo degli attuatori
Un attuatore è un dispositivo di azionamento che trasforma l’energia o i segnali ricevuti dall’esterno in movimento fisico.In inglese si scrive “actuator”, mentre in giapponese viene chiamato “dispositivo di azionamento” o “dispositivo di comando”. È la parte che genera effettivamente il “movimento” all’interno di macchinari e robot. Il suo campo di applicazione è molto ampio e spazia dal trasporto e dal posizionamento dei pezzi sulle linee di produzione delle fabbriche al controllo preciso dei movimenti delle apparecchiature mediche.
La struttura di base che trasforma l’energia in movimento
La struttura di base di un attuatore, che converte l’energia in movimento, è costituita da due elementi: la “fonte di potenza” e il “meccanismo di azionamento (meccanismo di trasmissione)”. La fonte di potenza è la parte che trasforma l’energia in forza. Negli attuatori elettrici la fonte di potenza è il motore, in quelli pneumatici è l’aria compressa, mentre in quelli idraulici è la pressione dell’olio. Il meccanismo di trasmissione, invece, è la parte che trasferisce la forza generata dalla fonte di potenza al movimento desiderato; tra i componenti di trasmissione più comuni ci sono le viti a ricircolo di sfere, le viti a sfregamento, gli ingranaggi e le cinghie.Ad esempio, in un attuatore elettrico, il movimento desiderato si ottiene grazie a un meccanismo che converte la forza di rotazione del motore in movimento lineare tramite una vite a sfere o che regola la coppia tramite ingranaggi.
I tre movimenti generati dall’attuatore
I movimenti generati dagli attuatori sono di tre tipi: movimento lineare, movimento rotatorio e movimento oscillatorio. Le principali differenze sono le seguenti.
| Tipo di funzionamento | Contenuto | Esempi di applicazioni tipiche |
| Movimento rettilineo | Un movimento alternato in una sola direzione, come quello di un pistone | Trasportatori, presse, elevatori |
| Movimento rotatorio | Movimento di rotazione continua attorno all’asse del motore | Azionamento di pompe, ventilatori e lenti |
| Movimento oscillatorio | Movimento rotatorio alternato entro un determinato angolo | Apertura e chiusura delle valvole, articolazioni dei robot |
La scelta del tipo di movimento più adatto all’applicazione è uno degli aspetti da considerare quando si valuta l’introduzione di un attuatore. Nei casi in cui si combinano movimento lineare e rotatorio, a volte capita di dover controllare più attuatori in modo coordinato.
Principali tipi e caratteristiche degli attuatori
Gli attuatori si dividono in tre grandi categorie a seconda della fonte di alimentazione: gli “attuatori elettrici”, alimentati da un motore elettrico; gli “attuatori pneumatici”, azionati dall’aria compressa; e gli “attuatori idraulici”, che sfruttano la pressione dell’olio.
Ecco un confronto tra le caratteristiche dei tre tipi di attuatori:
| Criteri di confronto | Elettrico | Pneumatico | Idraulico |
| Precisione di controllo | Elevata (possibilità di posizionamento multipunto) | Bassa (funzionamento principalmente tra due punti) | Media (facile controllo di spinta e velocità) |
| Potenza | Moderata | Moderata | Elevata |
| Velocità di funzionamento | Da media ad alta | Alta | Da bassa a media |
| Manutenzione | Poca | minima | È necessario controllare l’olio idraulico |
| Ambiente di installazione | Elevata versatilità | Adatto ad ambienti antiesplosione e puliti | È necessario adottare misure contro le perdite d’olio |
È necessario valutare i punti di forza e i limiti di ciascun sistema in base all’uso previsto e all’ambiente di installazione, per scegliere il sistema di azionamento più adatto.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Come funzionano e quali sono le caratteristiche degli attuatori elettrici
- Come funzionano gli attuatori pneumatici e quali sono le loro caratteristiche
- Come funzionano e quali sono le caratteristiche degli attuatori idraulici
Da qui in poi, ti spiegherò i principi di funzionamento e i punti di forza di ogni tipo, fornendoti le informazioni che ti aiuteranno a scegliere quello più adatto alle tue esigenze.
Come funzionano e quali sono le caratteristiche degli attuatori elettrici
Un attuatore elettrico è un dispositivo di azionamento che converte la forza di rotazione di un motore elettrico in movimento lineare o rotatorio tramite meccanismi di trasmissione come viti a ricircolo di sfere o ingranaggi. Funziona convertendo l’energia elettrica in energia meccanica. Ecco le sue caratteristiche principali:
【Caratteristiche principali degli attuatori elettrici】
- Controllo di precisione di posizione, velocità e coppia
- Supporto per il posizionamento multipunto
- La bassa frequenza di manutenzione durante il funzionamento normale
- L’elevata efficienza di conversione energetica
Negli ambiti in cui sono richiesti un posizionamento preciso e un controllo accurato della velocità, a volte si ricorre all’uso di attuatori elettrici.
Come funzionano e quali sono le caratteristiche degli attuatori pneumatici
Un attuatore pneumatico è un dispositivo che utilizza l’aria compressa da un compressore come fonte di energia e funziona grazie alla forza esercitata dal pistone all’interno del cilindro. È noto anche come cilindro pneumatico ed è composto da componenti semplici come il tubo del cilindro, il pistone e l’asta del pistone.
Sebbene consenta di operare ad alta velocità, a causa delle caratteristiche di compressione dell’aria non è adatto al posizionamento preciso in posizioni intermedie. È un sistema di azionamento adatto a schemi di movimento semplici, come gli spostamenti veloci tra due punti o le operazioni di presa.
Come funzionano gli attuatori idraulici e quali sono le loro caratteristiche
Gli attuatori idraulici sono dispositivi che utilizzano la pressione del fluido idraulico come fonte di energia per azionare un pistone e sono noti anche come cilindri idraulici. Il loro punto di forza è la capacità di generare forze e coppie elevate pur avendo dimensioni ridotte; per questo vengono utilizzati in settori che richiedono una spinta elevata, come le macchine edili, le presse e le macchine utensili.
Applicazioni tipiche degli attuatori e criteri di scelta
Gli attuatori sono alla base dell’automazione in una vasta gamma di settori, dalle linee di produzione delle fabbriche ai robot industriali, fino alle apparecchiature mediche. Tuttavia, poiché le prestazioni richieste e le condizioni di installazione variano notevolmente a seconda dell’applicazione, prima di procedere all’installazione è necessario definire con precisione i requisiti e scegliere la soluzione più adatta.Soprattutto nel caso degli attuatori elettrici, oltre alla scelta del sistema di azionamento, è necessario un giudizio complessivo che tenga conto anche delle specifiche della fonte di alimentazione.
Cosa tratteremo in questa sezione
- Come utilizzarle in base alle diverse fasi della linea di produzione
- Esempi di utilizzo nei robot e nelle apparecchiature mediche
- Elementi da verificare nella scelta di un attuatore
Da qui in poi, ti spiegherò uno per uno i casi d’uso nei settori industriali più rappresentativi e i criteri di valutazione da tenere a mente al momento della scelta.
Come usarli a seconda delle diverse fasi della linea di produzione
Sulla linea di produzione, a seconda delle esigenze di ogni fase del processo, si utilizzano alternativamente attuatori elettrici e pneumatici. Di seguito trovi le combinazioni tra le fasi più comuni e gli attuatori più adatti.
【Principali fasi di utilizzo nella linea di produzione】
- Fase di movimentazione: per la presa di pezzi di vario tipo o facilmente deformabili si utilizza un sistema elettrico
- Fase di trasporto: per i trasporti che richiedono un posizionamento in più punti, sono più adatti i modelli elettrici
- Fase di serraggio: per un movimento di presa veloce tra due punti si usano i cilindri pneumatici
- Processo di inserimento a pressione: per le operazioni di inserimento a pressione che richiedono un controllo del carico, si applica il controllo della forza tramite motore elettrico
È importante scegliere un sistema di azionamento adatto alle caratteristiche del processo.
Esempi di utilizzo nei robot e nelle apparecchiature mediche
I robot industriali sono definiti nella norma JIS B 0134:2015 come «manipolatori automatici, riprogrammabili e multiuso, programmabili su almeno tre assi, fissi in un punto o dotati di funzionalità di movimento, utilizzati per applicazioni di automazione industriale». Gli attuatori sono uno degli elementi che compongono il manipolatore.A volte, agli attuatori delle singole articolazioni dei robot vengono richieste caratteristiche di risposta e rotazione specifiche a seconda dell’applicazione. Nel settore medico, attuatori e motori sono integrati in vari dispositivi, come apparecchiature per cure dentistiche o endoscopi, e le esigenze in termini di affidabilità e precisione di funzionamento dei motori sono molto elevate.
Fattori da considerare nella scelta di un attuatore
Per scegliere l’attuatore giusto, devi valutare in modo globale diversi criteri. Ecco i principali criteri di valutazione:
| Criteri di valutazione | Elementi da verificare |
| Tipo di movimento | È necessario un movimento lineare, rotatorio o oscillatorio? |
| Spinta e coppia | La grandezza della forza necessaria per azionare un oggetto |
| Velocità di funzionamento | Tempo di ciclo richiesto dal processo o dall’applicazione |
| Precisione di posizionamento | Intervallo di tolleranza della posizione di arresto |
| Spazio di installazione | Dimensioni di montaggio all’interno di armadi o apparecchiature |
| Condizioni d’uso | Temperatura, umidità, requisiti antiesplosione, grado di pulizia |
| Durata e resistenza | Requisiti relativi al tempo di funzionamento continuo e al numero di cicli di funzionamento |
Negli attuatori elettrici, anche le specifiche del motore, che funge da fonte di azionamento, sono un fattore da considerare. È necessario valutare le specifiche tenendo conto delle caratteristiche tecniche specifiche del motore, come la rotazione fluida senza cogging, l’avviamento a bassa tensione e il design a basso consumo di corrente.
Riepilogo
Gli attuatori sono dispositivi di azionamento che trasformano l’energia elettrica, pneumatica, idraulica e simili in movimento meccanico, e vengono utilizzati in un’ampia gamma di settori, come le linee di produzione nell’industria manifatturiera, i robot industriali e le apparecchiature mediche.Ogni tipo di attuatore – elettrico, pneumatico o idraulico – presenta punti di forza e limiti diversi, quindi è importante scegliere quello più adatto in base a requisiti quali il tipo di funzionamento, la forza di spinta, la velocità, la precisione e l’ambiente di installazione. Nel caso degli attuatori elettrici, bisogna anche considerare le specifiche del motore che funge da fonte di azionamento.
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