Un servomotore rotativo produce un movimento lineare solo dopo che un gruppo meccanico ne ha convertito la rotazione in traslazione.
Un motore lineare, invece, produce direttamente quella corsa senza alcuna conversione intermedia. Questa singola differenza architettonica pone le basi per tutti i compromessi che ne derivano in termini di forza, velocità, precisione e costo.
Se si immagina un motore lineare come un motore rotativo senza spazzole srotolato, se ne comprende il principio elettromagnetico fondamentale. Anziché un rotore che gira all’interno di uno statore, un carrello in movimento si sposta lungo una guida costituita da magneti permanenti disposti in modo alternato.
Poiché i principi di base sono identici, i servoazionamenti effettuano la commutazione e il controllo esattamente allo stesso modo.
È proprio grazie alla trasmissione meccanica — come la vite a ricircolo di sfere, la cinghia o il pignone e cremagliera — che il sistema rotante acquisisce i suoi vantaggi unici e ne eredita gli svantaggi.
Qual è la differenza tecnologica fondamentale tra un motore lineare e un servomotore rotativo?
Un motore lineare è un servomotore rotativo "srotolato". Anziché un rotore che gira all'interno di uno statore, un carrello mobile dotato di bobine trifase si sposta lungo una guida composta da magneti permanenti che si alternano nella polarità. La corrente che attraversa le bobine magnetizza ciascuna fase in polo nord o sud, e l'attrazione e la repulsione che ne derivano spingono il carrello lungo la guida.
Il motore commuta e lo controlla proprio come farebbe con un motore brushless rotativo: il principio elettromagnetico è identico e cambia solo la geometria.
L'alternativa rotativa mantiene il motore in rotazione e prevede l'aggiunta di un sistema di trasmissione: una vite a sfere, una cinghia e una puleggia oppure una cremagliera e un pignone.
Ciascuno di essi converte il movimento rotatorio in traslatorio con diversi compromessi: le cinghie privilegiano la velocità e il basso costo a scapito della precisione, mentre il sistema a pignone e cremagliera favorisce corse molto lunghe.
Questo articolo prende come esempio rappresentativo la vite a ricircolo di sfere, poiché si tratta del meccanismo di conversione la cui precisione è più spesso in diretta competizione con quella di un motore lineare. La trasmissione è il punto in cui il sistema rotativo mostra i propri vantaggi e presenta i propri svantaggi; è quindi il punto di partenza più appropriato.
Motore lineare vs. servomotore rotativo: Una rapida analisi comparativa
I sei parametri riportati di seguito rappresentano gli intervalli pubblicati; i valori effettivi dipendono dal motore specifico, dal passo della vite, dal dispositivo di retroazione e dalla struttura dello stadio.
| Criterio | Servomotore rotativo + vite a sfere | Motore lineare (a trasmissione diretta) |
| Percorso di movimento | Rotazione generata da una vite a ricircolo di sfere | Corsa lineare diretta, senza conversione |
| Accelerazione massima | ~2 g (valore tipico per servomotore + vite a ricircolo di sfere) | Fino a circa 10 g |
| Velocità massima | ~0,5–1 m/s (20–40 pollici/s) | ~5–10 m/s (fino a ~400 pollici/s) |
| Precisione di posizionamento | ~3–5 µm: limite pratico | Submicronico; fino a frazioni di µm |
| Ritorno di fiamma | Eliminato da un dado precaricato; l'errore di avanzamento permane | Nessuno — nessun contatto lungo il percorso della forza |
| Forza | Moltiplicato per la vite; spinta elevata | Limitato dalla corrente della bobina e dai campi magnetici |
Forza: il vantaggio meccanico
Il vantaggio fondamentale della vite a ricircolo di sfere è la moltiplicazione meccanica. Una vite con passo ridotto sacrifica la velocità a favore della forza, moltiplicando la coppia del motore in una spinta lineare elevata. Ecco perché i sistemi rotanti abbinati a viti a ricircolo di sfere dominano il settore delle presse e dei dispositivi di serraggio, dove un motore lineare di dimensioni comparabili non potrebbe competere.
Un motore lineare non dispone di ingranaggi per moltiplicare la forza. La sua spinta deriva direttamente dall'interazione tra la corrente che attraversa le bobine e la pista magnetica, pertanto la sua forza continua è strettamente limitata dalla quantità di corrente che le bobine possono trasportare prima di surriscaldarsi.
Velocità, accelerazione e assestamento
È proprio nell’azionamento diretto che i motori lineari si distinguono nettamente dalla concorrenza. Senza una vite da far girare né un giunto flessibile da avvolgere, un motore lineare raggiunge accelerazioni vicine ai 10 g e velocità comprese tra i 5 e i 10 m/s. Le tipiche unità servoassistite con vite a ricircolo di sfere raggiungono al massimo circa 2 g e meno di 1 m/s.
Inoltre, le viti a ricircolo di sfere lunghe e sottili presentano un limite specifico. Al superamento di una velocità di rotazione critica, una vite lunga inizia a oscillare, il che limita la velocità di traslazione utilizzabile e costringe i progettisti a ricorrere a viti di diametro maggiore. I motori lineari, invece, non hanno alberi rotanti e non presentano limiti legati all’oscillazione.
Comprendere l’inerzia e i limiti termici
Una trasmissione riduce in modo significativo l'inerzia del carico percepita dal motore in proporzione al quadrato del suo rapporto. Nel caso di una vite a ricircolo di sfere, la massa del carico trasmessa all'albero motore è:
Dove Jrif. è l'inerzia del carico sull'albero del motore, m è la massa del carico in movimento, e p è il passo della vite.
Poiché il passo è quadrato, anche un carico utile consistente appare piccolo al motore se il passo è modesto, isolando così il motore dalle variazioni di carico. Un motore lineare non beneficia di tale riduzione, poiché il carico massimo si accoppia direttamente all'elemento di spinta, rendendo più difficile la regolazione in presenza di carichi utili variabili.
Anche il comportamento termico presenta notevoli differenze. I motori rotativi sono posizionati all’estremità di azionamento, dissipando il calore lontano dal pezzo in lavorazione. Le bobine di un motore lineare si muovono insieme al carico, il che può causare un apporto di calore nei processi sensibili alla temperatura.
Nei motori lineari, la forza continua è limitata dal punto di vista termico e l'aumento di temperatura delle bobine segue:
Perché la forza Fc sembra che, al quadrato, le temperature ambientali elevate o i limiti massimi di temperatura della serpentina riducano drasticamente la forza continua del motore.
In sintesi: quando scegliere quale
La soluzione "rotativa più vite" è in genere più economica nell'investimento iniziale e offre una forza per dollaro di gran lunga superiore. Rappresenta la scelta giusta quando la densità di forza e il costo hanno la precedenza sulle prestazioni dinamiche di alto livello, come nel caso della pressatura ad alta spinta, degli assi verticali o delle applicazioni con carichi utili altamente variabili.
Al contrario, è opportuno scegliere un motore lineare quando l'applicazione richiede velocità, accelerazione o precisione che una vite non è in grado di garantire.
Garantiscono un posizionamento submicronico e sono ideali per processi di pick-and-place o di scansione ad alta produttività, in cui eventuali deformazioni meccaniche o segni di usura potrebbero compromettere il risultato finale.
In definitiva, poiché un motore lineare è, dal punto di vista elettrico, semplicemente un motore rotativo privo di avvolgimenti, i servoazionamenti standard come il FlexPro e il DigiFlex Performance di ADVANCED Motion Controls sono in grado di gestire entrambi senza alcuna difficoltà.
