I vantaggi spesso trascurati dell'integrazione del movimento multiasse ad alta velocità su un singolo albero
Quando i progettisti di sistemi di movimento hanno bisogno di movimenti complessi, ad alta velocità e multiasse, potrebbero pensare innanzitutto a bracci robotici elaborati e progettati preventivamente. In alternativa, se necessitano di pochi assi, potrebbero pensare di configurare un profilo separato o una guida rotonda per ogni asse. Tuttavia, tra queste opzioni si nasconde la semplice e collaudata, ma spesso dimenticata, tecnologia degli alberi scanalati a sfere. Questa soluzione di movimento multiasse esiste da anni ed è ancora estremamente utile per molti degli attuali schemi di movimento complessi. Gli alberi scanalati a sfere utilizzano un'architettura unica che integra il movimento rotatorio e lineare su un singolo albero, garantendo maggiore flessibilità nell'implementazione di schemi di movimento complessi in spazi più ristretti, per una soluzione "2 in 1" nel controllo del movimento. (Figura 1)
Figura 1. Gli alberi scanalati a sfere Thomson, che permettono un movimento rotatorio e lineare su un singolo albero, offrono elevata affidabilità e durata in condizioni operative variabili. Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.
Integrazione del movimento rotatorio e lineare
Gli alberi scanalati a sfere consentono la traslazione sia del movimento lineare sia di quello rotatorio. Ciò si ottiene mediante l'implementazione di un albero comune per eseguire due movimenti indipendenti. (Figura 2) Se osservato in lunghezza, l'albero comprende scanalature assiali rettificate chiamate "alberi scanalati". Questa disposizione degli alberi scanalati a sfere comprende anche la chiocciola, che scorre lungo le scanalature assiali rettificate e blocca il movimento rotatorio o i carichi di momento radiale. Ogni chiocciola è supportata da un cuscinetto e, il più delle volte, da un punto di ancoraggio comune, come un tubo tondo fissato a una staffa supportata dal meccanismo. Ciascuna chiocciola sarà azionata in modo indipendente da un motore (spesso con azionamento a cinghia) responsabile del controllo del rispettivo asse di movimento.
Per azionare la rotazione assiale, la chiocciola degli alberi scanalati a sfere viene ruotata. La chiocciola ospita una serie di sfere che consentono il libero movimento lungo l'asse (vale a dire, la chiocciola può scorrere lungo l'albero con un attrito minimo). Quando vengono ruotate, queste stesse sfere applicano una forza perpendicolare all'albero attraverso le scanalature, facendo ruotare l'albero.
Per azionare il movimento lineare, l'albero scanalato viene spostato in avanti o indietro mediante un attuatore lineare, come un pistone idraulico, pneumatico o elettrico. Mentre la chiocciola dell'albero scanalato si sposta lungo l'albero, i cuscinetti a sfere rotolano all'interno delle scanalature. Il rotolamento, anziché lo scorrimento, presenta un coefficiente di attrito e usura inferiori e consente un movimento lineare fluido e preciso e velocità più elevate. I cuscinetti a sfere circolano all'interno della chiocciola, garantendo un contatto volvente continuo con l'albero.
Grazie all'ancoraggio/supporto, questa disposizione è anche molto resistente ai carichi torsionali (vale a dire, l'albero resiste alla rotazione a meno che non sia azionato dal motore). Se all'albero viene applicato un carico torsionale esternamente mentre è esteso/retratto/fermo, essendo supportato dalla chiocciola dell'albero scanalato, resisterà a tale carico. Oltre a garantire una soluzione di movimento "2 in 1" sull'albero, questa caratteristica è importante anche per la sua utilità nella progettazione dell'applicazione.
Conseguire questo obiettivo su un singolo albero presenta numerosi vantaggi. Ciò garantisce un migliore utilizzo dello spazio, aumenta la capacità di carico, la velocità e la precisione con un attrito trascurabile e migliora la durata utile con una manutenzione minima.
Figura 2. Abilitando sia il movimento lineare sia quello rotatorio su un singolo albero, gli alberi scanalati a sfere offrono numerosi vantaggi ai progetti robotici, tra cui maggiore compattezza, capacità di carico, velocità e precisione. Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.
Migliore utilizzo dello spazio
Grazie alla compressione di più assi in uno, gli alberi scanalati a sfere risultano molto più compatti rispetto alle soluzioni con cuscinetti tradizionali. Questa progettazione implica un minor numero di componenti e parti mobili e una maggiore capacità di carico all'interno dello stesso spazio rispetto a quanto sarebbe possibile con cuscinetti lineari comparabili.
Capacità di carico più elevata
Le ampie scanalature con rettifica di precisione consentono di ottenere maggiori capacità di carico nonché rigidità migliorata per la gestione di momenti più elevati (fino al doppio rispetto ai cuscinetti tradizionali). Gli alberi scanalati a sfere distribuiscono inoltre una maggiore quantità di carico lungo l'intera lunghezza dell'albero. Ciò consente loro di sopportare carichi maggiori rispetto ai cuscinetti tradizionali, che possono essere maggiormente soggetti a concentrazioni di sollecitazione localizzate. Gli alberi scanalati a sfere sono più adatti anche ai carichi decentrati, comuni nelle applicazioni di cambio utensile o prelievo e posizionamento.
Attrito trascurabile
Il sistema di guida a sfere garantisce un movimento pressoché privo di attrito grazie al contatto preciso con i punti tangenziali delle sfere rotanti guidate dalle scanalature dell'albero scanalato e dalla pista all'interno della chiocciola.
Velocità più elevate
Gli alberi scanalati a sfere necessitano di una forza ridotta per spostare assialmente la chiocciola della scanalatura, trasmettendo al contempo la coppia e riducendo al minimo l'attrito. Ciò contribuisce a un aumento della velocità di circa il 20% e a un funzionamento più fluido rispetto a una tradizionale vite con ricircolo di sfere. Gli alberi scanalati a sfere possono gestire velocità fino a 2 m/s.
Elevata accuratezza precisione
Gli alberi scanalati a sfere offrono elevata precisione e accuratezza nel posizionamento, il che li rende ideali per applicazioni in cui è richiesto un controllo preciso. Un contraccolpo nullo garantisce l'assenza di gioco rotazionale o perdita di movimento durante i cambi di direzione. Gli alberi scanalati a sfere mantengono precisione e basso attrito anche sotto carichi pesanti, garantendo un movimento preciso e uniforme.
Facile installazione e manutenzione
L'installazione è semplice: in genere richiede un foro grezzo e fori di montaggio praticati e filettati per fissare la chiocciola flangiata, oppure un foro grezzo e una chiavetta per chiocciola rotonda. La semplicità del design rende gli alberi scanalati a sfere più facili da riparare e manutenere. A differenza delle guide profilate e delle viti con ricircolo di sfere che richiedono una manutenzione più elevata, il team addetto alla manutenzione può semplicemente estrarre la scanalatura dall'albero, lubrificarla e reinserirla.
Alta durabilità
Rispetto ad alcuni cuscinetti tradizionali, gli alberi scanalati a sfere hanno una durata maggiore grazie ai maggiori punti di contatto tra le sfere, che riducono la sollecitazione e aumentano la capacità di carico. Minore è la sollecitazione a cui sono sottoposte le sfere, maggiore sarà il carico che potranno sopportare, resistendo allo stesso tempo all'usura e garantendo prestazioni costanti nel tempo.
Spesso gli alberi scanalati a sfere possono essere progettati con guarnizioni e coperture protettive che proteggono i cuscinetti a sfere da agenti contaminanti quali polvere e detriti, prolungandone ulteriormente la durata. L'architettura degli alberi scanalati a sfere offre una capacità di carico sicura da ogni angolazione, a differenza di un cuscinetto radiale, in cui le sfere devono essere posizionate in modo appropriato e accurato per bilanciare il carico.
Risparmio sui costi
Il risparmio iniziale è notevole per questo modo alternativo di utilizzare i due assi di movimento, e i risparmi si moltiplicano nel caso di volumi più elevati. Rispetto ai sistemi multiasse progettati preventivamente, gli alberi scanalati a sfere sono notevolmente meno costosi. Sono inoltre più economici dei sistemi di guide profilate, perché hanno un numero ridotto di componenti e meno parti mobili. Offrono una migliore resistenza al carico momentaneo in rapporto al prezzo e richiedono una minore preparazione della superficie per l'installazione. Rispetto ai gruppi di guide tonde, il costo degli alberi scanalati a sfere è simile, ma con un ingombro minore e un numero inferiore di assi. A lungo termine, meno componenti richiedono manutenzione, con un conseguente risparmio di tempo e costi.
Applicazioni
I progettisti del movimento che integrano sia il movimento lineare sia quello rotatorio dovrebbero valutare la tecnologia degli alberi scanalati a sfere per verificare se la configurazione sullo stesso albero possa essere un vantaggio. Ecco alcuni esempi di applicazioni nell'automazione industriale, nei trasporti, nell'assistenza sanitaria e nella ricerca che hanno sfruttato la funzionalità degli alberi scanalati a sfere:
Automazione industriale
- Assemblaggio "con prelievo e posizionamento" ripetibile, come il posizionamento ad alta velocità di semiconduttori in cui un braccio preleva gli oggetti dalle piastre di assemblaggio, ruota e li posiziona su altre.
- Posizionamento degli utensili CNC nelle operazioni di lavorazione e fresatura.
- Apparecchiature per l'imballaggio per il controllo preciso dei meccanismi di riempimento e tappatura.
Trasporto
- Comandi aerei, come l'apertura dei flap e la regolazione dell'acceleratore.
- Veicoli militari per facilitare la rotazione, l'elevazione del cannone e la sterzata del veicolo.
Sanità e ricerca
- Robot chirurgici per guidare le procedure chirurgiche robotizzate.
- Dispositivi di imaging medico per facilitare il movimento preciso degli scanner TC o di altri dispositivi di acquisizione di immagini ad alta precisione.
- Analisi di laboratorio, come il posizionamento delle piastre del microscopio e del campione.
I vantaggi degli alberi scanalati a sfere li rendono ideali per numerose applicazioni, tra cui (da sinistra a destra) lavorazioni CNC, tamburi per cartiere, prelievo e posizionamento e automazione delle macchine. Immagine per gentile concessione di Thomson Industries, Inc.
Per aiutare i progettisti di macchine a ottimizzare gli alberi scanalati a sfere per le loro applicazioni, alcuni fornitori offrono una guida online. Ad esempio, uno strumento di selezione degli alberi scanalati a sfere disponibile sul mercato utilizza supporti visivi che guidano gli utenti verso la configurazione migliore in pochi minuti.
La ricerca del posto giusto
Gli alberi scanalati a sfere rappresentano una soluzione interessante per i progettisti di macchine che necessitano di movimento su più assi. Rispetto ai sistemi multiasse confezionati, gli alberi scanalati a sfere richiedono meno spazio e possono essere utilizzati a velocità più elevate, con minore attrito, maggiore precisione, durata utile più lunga e prevedibile e manutenzione più semplice. Possono anche essere meno costosi.
Sebbene gli alberi scanalati a sfere possano sostituire i bracci robotici confezionati, la loro efficienza in termini di spazio e l'assenza di gioco li rendono utilizzabili come componenti di tali insiemi, eventualmente estendendo una corsa verticale o supportando carichi radiali e assiali più pesanti.
Man mano che le operazioni aziendali diventano più complesse e la digitalizzazione, l'intelligenza artificiale e i progressi nella mobilità introducono più assi di movimento nelle strategie di automazione, le prestazioni e la versatilità uniche degli alberi scanalati a sfere potrebbero finalmente ricevere il rispetto che meritano.