ATTUATORI ELETTRICI, COME FUNZIONANO E COME ISPEZIONARLI CON GLI ENDOSCOPI

Viviamo in un mondo altamente digitalizzato ed automatizzato. Tuttavia, quante volte ci siamo chiesti, ad esempio, come un robot lungo una catena di montaggio possa trasformare l’impulso elettrico proveniente dai software che lo controllano in un vero e proprio movimento? Tutto questo è possibile grazie agli attuatori elettrici. Ma cosa sono?

Possiamo considerarli come i “muscoli” degli impianti automatizzati. Nelle prossime righe osserveremo il loro funzionamento e le tante variabili disponibili sul mercato. Infine, ci soffermeremo su come gli endoscopi industriali facilitino le operazioni di monitoraggio dello stato operativo degli attuatori elettrici.

Cosa sono gli attuatori elettrici?

Partiamo dalla definizione di attuatore elettrico. Si tratta di un trasduttore elettromeccanico progettato per convertire l’energia elettrica in ingresso in energia meccanica: l’operazione di conversione dà origine ad un movimento o ad una forza all’interno dell’impianto.

Come funziona un attuatore elettrico?

Per capire come la definizione appena citata trovi applicazione nella realtà, osserviamo direttamente il funzionamento di un attuatore elettrico.

Come già accennato, all’interno di un sistema automatizzato il computer o la centralina rappresentano in un certo senso il cervello, mentre gli attuatori le braccia che permettono di trasformare gli input ricevuti in movimenti.

Tutto ha origine con l’arrivo di un impulso elettrico, il quale alimenta il motore contenuto nell’attuatore. Questa inizia a girare su se stesso molto velocemente. L’albero motore dell’attuatore è collegato ad una serie di ingranaggi chiamati riduttori, i quali, a loro volta, rallentano la velocità di rotazione, ma moltiplicano la forza.

Gli ingranaggi fanno girare una lunga barra filettata detta vite senza fine, sulla quale è inserito un dado interno chiamato madrevite. A quest’ultimo è agganciata un’asta metallica che sporge all’esterno dell’attuatore. Di conseguenza:

• quando la vite gira in un senso, il dado è costretto a scorrere in avanti lungo la filettatura.
• quando il motore inverte il giro e la vite ruota nel senso opposto, il dado scorre all’indietro.

Allo stesso tempo, l’asta dell’attuatore collegata esce spingendo il carico oppure rientra tirandolo.

Uno degli esempi più classici di attuatore elettrico è rappresentato dalla finestra automatica. Quando premi il bottone, la centralina invia corrente all’attuatore che attiva il motorino interno e fa ruotare la vite filettata. Il dado scorre così in avanti e spinge l’asta verso l’esterno aprendo la finestra. 

Le altre tipologie di attuatori

L’elettricità non è l’unica sorgente disponibile per sfruttare le potenzialità degli attuatori. Infatti, in molte applicazioni industriali, possiamo trovare altre conformazioni. Quali sono le più diffuse?

Attuatori idraulici

Gli attuatori idraulici basano il proprio funzionamento sull’impiego di un fluido pressurizzato, solitamente olio minerale. Il liquido viene spinto all’interno di cilindri per muovere pistoni robusti. Il risultato è un’eccezionale erogazione di forza pur mantenendo dimensioni geometriche contenute. Non a caso, sono gli attuatori più utilizzati nei macchinari pesanti da costruzione e nelle presse industriali. 

Tuttavia, i sistemi idraulici richiedono un’infrastruttura complessa e ingombrante caratterizzata da pompe, serbatoi e reti di tubazioni. Al tempo stesso il fluido deve essere costantemente monitorato, mentre i costi di manutenzione sono piuttosto elevati.

Attuatori pneumatici

Gli attuatori pneumatici sfruttano l’aria compressa per generare uno spostamento lineare o rotatorio tramite cilindri dedicati. Si contraddistinguono per la loro velocità di azionamento e la semplicità dei circuiti di controllo. Proprio per queste caratteristiche risultano ideali per movimentare rapidamente carichi leggeri.

L’aria è però un fluido per sua natura comprimibile: le sue variazioni non assicurano sempre la stessa forza costante durante il loro utilizzo.

Perché vengono preferiti gli attuatori elettrici?

Facendo il resoconto delle caratteristiche appena descritte degli attuatori idraulici e pneumatici, è facile capire perché spesso e volentieri vengano preferiti gli attuatori elettrici. Infatti, questi ultimi assicurano un controllo del movimento straordinariamente accurato, consentendo di regolare la velocità, la corsa e la posizione con precisione millimetrica semplicemente variando il voltaggio o l’intensità di corrente forniti al motore. 

I vantaggi degli attuatori elettrici interessano anche il profilo ecologico: non impiegano oli o fluidi chimici, azzerando così i rischi di contaminazione dell’ambiente circostante.

Le tipologie di movimento degli attuatori elettrici

Nei paragrafi precedenti, quando abbiamo spiegato il funzionamento dei dispositivi, abbiamo fatto riferimento agli attuatori elettrici lineari. 

La parola “lineare” serve proprio a specificare che il risultato finale di tutto quel processo è un movimento in linea retta (avanti e indietro, su e giù), ottenuto convertendo la rotazione del motore grazie al sistema della vite e del dado interno.

Nel caso però di sistemi automatici destinati ad esempio all’apertura di valvole si applicano attuatori rotatori. Il meccanismo di funzionamento è pressoché identico, ma al posto di esserci un’asta esterna (quella che fa avanti e indietro per muovere il carico), troviamo un perno sporgente o un foro scanalato all’interno del quale si inserisce l’asse del macchinario da muovere.

Tale elemento è solidale con l’albero motore dell’attuatore, ovvero è bloccato sull’albero stesso e si muove insieme a questo come se fossero un unico pezzo. Nella pratica, se l’albero gira, anche il perno compie lo stesso movimento alla stessa velocità. Ovviamente il movimento finale che si otterrà sarà rotatorio.

In quali settori vengono utilizzati gli attuatori elettrici?

La versatilità degli attuatori elettrici ne consente l’impiego in innumerevoli settori industriali e civili. Ecco, le applicazioni più comuni:

• strumentazione medicale;
• macchine agricole;
• sistemi di ombreggiamento solare;
• impianti di movimentazione merci;
• serramenti per l’edilizia industriale e commerciale.

Nella moderna automazione, l’attuatore lavora sempre in simbiosi con un sistema di controllo elettronico, un’interazione che trasforma un semplice movimento meccanico in un’azione tanto intelligente quanto sicura.

In molte applicazioni, come nei bracci robotici utilizzati per le saldature o nei veicoli a guida autonoma presenti nei magazzini logistici, non basta che un attuatore si muova: deve farlo con precisione microscopica. 

Il sistema di controllo invia impulsi elettrici mirati e, grazie a sensori speciali che “contano” ogni singola frazione di giro del motore, sa esattamente dove si trova l’attuatore in ogni millesimo di secondo. Se il carico è troppo pesante e l’attuatore rallenta anche solo di un millimetro rispetto al previsto, il “cervello” elettronico corregge istantaneamente la corrente per rimetterlo in carreggiata.

La manutenzione degli attuatori elettrici con gli endoscopi industriali

Gli attuatori industriali sono scatole metalliche sigillate. Aprirli solo per un controllo di routine significherebbe fermare la produzione per ore e al tempo stesso rischiare di contaminare i componenti interni con polvere o sporcizia. Grazie agli endoscopi industriali è possibile ovviare facilmente a tutte queste problematiche. In che modo?

I fori di lubrificazione o di sfiato presenti sulle scocche degli attuatori elettrici diventano il varco perfetto per introdurre una sonda endoscopica ed ispezionare lo stato dei componenti interni dei dispositivi.

Nello specifico, gli endoscopi industriali vengono utilizzati per:

• verificare visivamente se i filetti della vite presentano microfratture, rigature o distacchi di materiale;
• controllare se la madrevite sta accumulando gioco meccanico a causa dell’usura;

• rilevare fenomeni di pitting o di usura precoce negli ingranaggi prima che un dente si rompa determinando il blocco improvviso dell’attuatore;
• esaminare lo stato dei cuscinetti a sfera interni che sostengono gli alberi di trasmissione;
• osservare lo stato di lubrificazione dei componenti interni;
• monitorare il livello di usura delle guarnizioni.

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