At a Glance:

• Le guide hanno il potere di gestire sollevamento, pressione, trazione, spinta, bloccaggio, arresto, mantenimento, taglio e separazione.
• Le guide vanno bene quando sono richieste precisione e ripetibilità.
• Le guide e gli azionamenti possono essere utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni “pack-and-place”.

Le guide e gli azionamenti pneumatici sono i cavalli di battaglia dell’automazione industriale. Sono ben collaudate e possono adattarsi a una gamma crescente di applicazioni in cui l’aggiunta di una guida migliora le prestazioni. Sono anche convenienti, con molte varianti e opzioni di configurazione per assicurare grande affidabilità e longevità.

Un azionamento guidato (a sinistra) include aste di guida e non richiede assemblaggio, ma molte unità di guida come questo attuatore FENG e il cilindro standard di Festo (a destra) richiedono il montaggio.

Azionamenti e guide

A differenza degli azionamenti standard, gli azionamenti a guida pneumatica mantengono una stabilità completa e le guide a guida pneumatica offrono maggiore stabilità e precisione, il che è fondamentale in molte funzioni di pick-and-place. Con entrambi i tipi di attuatori, l’aggiunta della stabilizzazione dell’asta del pistone assicura migliori prestazioni e una maggiore durata di vita rispetto alle alternative non stabilizzate. Il mercato delle guide e degli azionamenti guidati sta crescendo man mano che sempre più ingegneri imparano che è più facile e conveniente acquistare un singolo prodotto con movimento lineare e guida piuttosto che comprare entrambe le funzioni separatamente.

In un azionamento pneumatico standard, l’asta del pistone crea un movimento lineare e può ruotare liberamente mentre si estende e si ritira. In molte applicazioni industriali, questa rotazione è irrilevante; ma è indesiderata se l’utente ha bisogno di stabilità, come mantenere uno strumento di stampaggio perfettamente parallelo all’oggetto da stampare. Inoltre, se l’asta del pistone applica una forza su un oggetto, la resistenza che incontra può creare una forza laterale o una coppia contro il gruppo attuatore.

Per esempio, se l’attuatore sta posizionando una sega circolare che taglia il legno, le forze esterne sull’attuatore quando l’asta del pistone è estesa possono creare deflessioni che causano un taglio imperfetto. Questo genera un’usura eccessiva della sega e del cilindro.

Gli azionamenti guidati spesso eseguono uno dei tre semplici compiti: fermare, sollevare o spingere.

Gli azionamenti guidati pneumatici hanno un solo pistone, con la stabilità del pistone garantita da due aste di guida. Queste aste di guida scorrono tipicamente su set di boccole o cuscinetti a sfera per la stabilità. Le aste di guida e il pistone si attaccano a un giogo che tiene l’attrezzatura, impedendo al pistone di torcersi o girare se viene applicata una forza laterale per la stabilità operativa. Queste unità si trovano in applicazioni che coinvolgono il sollevamento, la pressione, la trazione, la spinta, il bloccaggio, l’arresto, il contenimento, la tenuta, il taglio e la separazione. Sono disponibili in molte dimensioni e varianti, possono contenere quasi tutti gli utensili, fornire lunghezze di corsa fino a 400 mm e possono applicare una grande forza dove richiesto.

Le guide di scorrimento eccellono in compiti in cui sono essenziali alti livelli di precisione e ripetibilità, come nell’assemblaggio di componenti elettronici o piccole parti di automobili, nella manipolazione di alimenti e bevande e in applicazioni di erogazione in altri settori di processo. Le guide di scorrimento guidate hanno tipicamente aste di pistone singole o doppie e una guida che scorre su cuscinetti a sfera di precisione nell’alloggiamento della guida per un movimento preciso e un’accuratezza ripetibile, nonostante i carichi laterali e le coppie.

Le guide forniscono il movimento lineare, sia fissato orizzontalmente che verticalmente. Sono strumenti eccellenti attaccati a un gantry, come un doppio asse (X, Z) configurazioni multi-slide e possono essere aggiunti a configurazioni pick-and-place e piggyback che hanno una slitta montata sopra un’altra per corse più lunghe con fermate lungo il percorso, spesso senza adattatori.

In applicazioni duplex, una mini-slitta compatta attaccata a una piccola pinza meccanica o una coppa del vuoto tipicamente offre una precisione ripetibile di 0. 01 mm e linearità e parallelismo.01 mm e linearità e parallelismo entro 1/100 mm 0,01-mm su milioni di cicli.

Le guide pneumatiche sono disponibili in una varietà di configurazioni, tra cui non rotanti (sinistra), non guidate (centro) e guidate (destra).

Le guide sono disponibili in una gamma di dimensioni con diverse opzioni di montaggio e molte scelte di smorzamento per assicurare i tempi di ciclo più brevi con vibrazioni minime. In un confronto alla pari tra guide e azionamenti guidati e cilindri non rotanti con pistone di dimensioni e lunghezza di corsa identiche, le guide sono le più grandi e pesanti tra le opzioni con guida integrata del pistone, grazie alle loro guide larghe e piatte che forniscono un movimento altamente preciso.

Assumendo lo stesso diametro del foro (20 mm) per lo stelo del pistone e la stessa lunghezza di corsa (50 mm), la guida ha il profilo più grande (ingombro o lunghezza, altezza e larghezza). Gli azionamenti guidati si collocano nel mezzo, essendo più piccoli di una slitta guidata e più grandi di un cilindro non rotante.

Confrontando un cilindro non rotante, un azionamento guidato e una slitta guidata, tutti con la stessa dimensione del foro del pistone (20 mm), lunghezza della corsa (50 mm) e una forza estesa di 188 N (vedi grafico), il rapporto forza-peso dell’azionamento non rotante è 65%, quello dell’azionamento guidato è 16% e quello della slitta guidata 15%. Quindi, un cilindro non rotante sarebbe più piccolo e meno costoso, ma per capacità di carico di coppia più elevate o per la precisione, è necessaria una guida o una slitta guidata e sarebbero più grandi per lo stesso alesaggio/corsa. L’aggiunta della guida aggiunge più peso rispetto all’azionamento non rotante per fornire maggiore stabilità.

Alternative agli attuatori guidati

I cilindri non rotanti e le combinazioni di guide esterne e cilindri standard sono spesso considerati alternative agli azionamenti e alle guide pneumatiche guidate. Hanno capacità di carico limitate, quindi sono più adatti per applicazioni che richiedono il mantenimento di un orientamento specifico ma con piccoli carichi.

Gli azionamenti non rotanti e i cilindri con steli non rotanti sono meno costosi, ma gli azionamenti guidati e le guide sono più durevoli e precisi e possono gestire carichi laterali e coppie maggiori. Quando si esegue la stessa funzione, come il sollevamento di un carico o lo spostamento di una pinza, l’azionamento non rotante avrà la maggior quantità di deflessione dal gioco dei cuscinetti e dalla forza laterale. La deflessione in questo caso è la distanza che il pistone o la piastra anteriore si sposta a causa del gioco dei cuscinetti o di qualsiasi forza esterna. Una maggiore deflessione significa una minore precisione.

Una guida esterna può essere abbinata ad una gamma più ampia di cilindri per gestire una varietà di compiti e situazioni come il serraggio, i cuscini d’aria regolabili e il lavoro ad alte temperature, ma i due devono essere collegati. Le guide e gli azionamenti guidati hanno meno opzioni di configurazione e una gamma di prestazioni più limitata, ma sono anche meno costosi. Nelle applicazioni pick-and-place, un cilindro compatto non guidato con il suo pistone che ruota liberamente potrebbe essere considerato, ma non assicurerà il posizionamento e l’orientamento coerente delle parti che vengono spostate così bene come farebbe una mini-slitta guidata.

Guida pneumatica ed elettrica

Le guide e le slitte guidate pneumatiche ed elettriche possono svolgere missioni simili ma hanno punti di forza diversi. Con una fonte di aria compressa adeguatamente dimensionata e ben mantenuta, le guide pneumatiche forniscono densità di forza e velocità più elevate per un’installazione e un costo operativo inferiori, insieme a una vita utile più lunga.

Confrontando gli attuatori in mini-slitte pneumatiche ed elettriche simili, la versione pneumatica è più corta con tempi di posizionamento più brevi. Le versioni elettriche offrono un arresto e un avvio più dolce, un profilo di azionamento programmabile e velocità costanti e precise. Come regola generale, gli azionamenti e le guide pneumatiche occupano meno spazio. Oggi, la gestione dell’energia e la diagnostica dell’aria compressa possono ridurre l’uso dell’aria e la manutenzione non programmata e i tempi di fermo, rendendoli una scelta più economica.

L’efficienza relativa è una considerazione primaria nel fare la giusta scelta ingegneristica tra gli azionamenti pneumatici con guida potenzialmente adatti.

Le mini guide di scorrimento pneumatiche sono utili per un movimento preciso in spazi ristretti.

L’esempio (sotto) confronta i prezzi di un cilindro non rotante, di un azionamento guidato e di una guida di scorrimento guidata (tutti i modelli base con lo stesso pistone da 20 mm e la stessa corsa da 50 mm, e la percentuale di guida utilizzata quando sono sottoposti alle stesse condizioni di carico offset. Ai fini di questo esempio, il cilindro non rotante è al 100% di utilizzo della guida. È al suo limite ed è una cattiva scelta in termini di capacità di gestire il carico di offset. La slitta guidata è la più costosa delle tre, e con solo il 12% di utilizzo della guida, è sovraperformante per questa applicazione. L’azionamento guidato raggiunge il 54% di utilizzo della guida e sebbene sia circa 2,5 volte il costo del cilindro non rotante, fornisce il miglior rapporto costo-prestazioni delle tre opzioni.

Azionamenti guidati per tutti gli scenari

La crescita nell’uso degli azionamenti e delle guide pneumatiche guidate riflette la loro utilità per una straordinaria gamma di compiti. Questi attuatori sono disponibili sia in modelli standard che in modelli speciali o personalizzati, e nelle versioni metriche e in pollici.

I modelli standard rappresentano la metà del mercato e sono convenienti per la maggior parte delle applicazioni. La maggior parte è esente da manutenzione e richiede poco o nessun assemblaggio. Molti sono disponibili con una scelta di guide a cuscinetti lisci per un’alta rigidità o guide a ricircolo di sfere per applicazioni con carichi di coppia. I modelli base sono estremamente versatili e occupano meno spazio per le forze che forniscono rispetto alle alternative. Queste unità di base sono disponibili in molte dimensioni, con molte combinazioni di diametro del pistone e lunghezza della corsa. Le corse fino a 200 mm sono generalmente considerate prodotti standard. Sono disponibili versioni più grandi con lunghezze di corsa fino a 400 mm. Queste versioni più grandi includono una scelta di opzioni di smorzamento e ammortizzazione finale, compresa la regolazione manuale e, in alcuni modelli, l’ammortizzazione ad aria autoregolante.

Ci sono anche modelli speciali e varianti per alimenti secchi e zone di spruzzi, camere bianche e applicazioni ATEX, e varianti con design resistenti al calore. Gli azionamenti igienici per applicazioni alimentari e farmaceutiche offrono la stessa facilità di pulizia e resistenza alla corrosione dei cilindri igienici standard, nonché una lubrificazione conforme a NSF-H1. Gli azionamenti igienici hanno un design liscio e pulito che non permette all’acqua, allo sporco o alla polvere di accumularsi su di essi.

La serie di modelli base DFM di Festo è un popolare azionamento pneumatico guidato.

Molti degli stessi vantaggi degli azionamenti guidati di grandi dimensioni sono disponibili negli azionamenti mini-guidati dove sono sufficienti una corsa breve e una forza inferiore e lo spazio è limitato. I modelli particolarmente compatti offrono corse di soli 5-30 mm.

Due miniguide Festo DGSL sono montate su un asse elettrico nell’unità di carico laterale di una macchina per imballaggio.

Le guide offrono una varietà simile con modelli standard e speciali e opzioni che possono essere regolate per la maggior parte delle applicazioni. La gamma comprende modelli base con lunghezze di corsa fino a 200 mm e opzioni multiple di ammortizzazione, design piatti e sottili, e modelli ultracompatti larghi fino a 8 mm con lunghezze di corsa da 1 a 10 mm. Quest’ultimo è ideale per piccole applicazioni pick-and-place e altre corse brevi. Lo sviluppo di guide sempre più compatte riflette la tendenza dell’industria, specialmente nell’assemblaggio dell’elettronica, verso la miniaturizzazione, che richiede che le minislitte e le microslitte guidate funzionino con la stessa precisione, ripetibilità e lunga durata degli attuatori più grandi.

Scegliere l’azionamento giusto

Un software come lo strumento di dimensionamento pneumatico di Festo (presente nel catalogo online dell’azienda nella scheda blu “Engineering”) supporta i clienti nella selezione e configurazione dei prodotti pneumatici. I clienti possono inserire i loro parametri di applicazione, fattori quali il carico da spostare, la distanza e la velocità e la pressione di esercizio. Vengono fornite raccomandazioni sui prodotti adatti, così come un’idea del tipo di ammortizzazione che soddisfa le loro esigenze – da un semplice tipo di paraurti o ammortizzatore a un’ammortizzazione ad aria regolabile manualmente o autoregolante. Questo strumento di dimensionamento affronta anche l’uso della guida del cuscinetto, fornendo un’indicazione se gli stili di cuscinetti a strisciamento o a sfera sarebbero più adatti ai loro requisiti operativi.

e per gli azionamenti e le guide a guida pneumatica sta crescendo costantemente, riflettendo l’ulteriore espansione dell’automazione e i miglioramenti nella progettazione degli attuatori. Questi attuatori sono una scelta eccellente ovunque sia disponibile l’energia dell’aria compressa. Sono competitivi dal punto di vista dei costi, facili da configurare e installare, spesso non richiedono manutenzione e sono robusti, garantendo una lunga durata. Sono versatili e disponibili in una vasta gamma di dimensioni del pistone e lunghezze di corsa, con modelli di base per soddisfare la maggior parte delle applicazioni e varianti speciali per molte altre. La loro capacità di guida è già progettata e integrata, per cui è richiesto un assemblaggio minimo, se non nullo. Non è esagerato dire che c’è una guida o una slitta per la maggior parte delle applicazioni che richiedono stabilità e/o precisione ripetibile.

Darren O’Driscoll, Michael Guelker e Julian Beckler sono product manager e Thomas Martin è a capo della gestione prodotti (attuatori a stelo) presso Festo AG & Co.