Dimensionare un modulo lineare: carico, velocità, spinta e passo

Scegliere un modulo lineare solo in base alla corsa è la causa più frequente di assi troppo lenti, sovraccarichi o rumorosi. Questa guida illustra i passaggi di dimensionamento usati dai progettisti – carico, profilo di moto, spinta, momenti e motore – e si conclude con un esempio di calcolo basato su dati reali.

1. Raccogliere i dati dell’applicazione

• Massa in movimento: pezzo + pinza o utensile + piastra di adattamento.
• Orientamento di montaggio: orizzontale, verticale o a parete.
• Corsa e tempo ciclo richiesto (o tempo per singolo spostamento).
• Posizione del carico: distanza del baricentro dal carrello (sbalzo).
• Precisione: ripetibilità richiesta.
• Forze di processo: forze di pressatura, avvitatura o lavorazione sul carrello.
• Ambiente: polvere, trucioli, refrigerante, camera bianca.

2. Scegliere la trasmissione

Di solito precisione, corsa e velocità determinano la trasmissione: vite a ricircolo di sfere per assi precisi, rigidi e verticali; cinghia dentata per corse lunghe e veloci; pignone e cremagliera per assi molto lunghi e pesanti; motore lineare per la massima dinamica. Vedete Vite a ricircolo di sfere o cinghia dentata.

3. Verificare il carico per orientamento e passo

Il carico ammesso dipende fortemente dall’orientamento di montaggio e, nei moduli a vite, dal passo. Esempio: BSS140 con servomotore da 400 W:

L’andamento è tipico: un passo maggiore dà più velocità ma meno spinta e carico; il carico verticale è molto più basso perché la trasmissione deve sostenere sempre l’intero peso.

4. Definire il profilo di moto

La maggior parte dei movimenti segue un profilo trapezoidale: accelerazione, tratto a velocità costante, decelerazione. Con corsa s, velocità v e accelerazione a (uguale in accelerazione e frenata), il tempo di spostamento è:

t = s / v + v / a

(valido se la corsa permette di raggiungere la velocità piena, cioè s ≥ v² / a). La velocità richiesta definisce il passo minimo: passo = v / velocità del motore. Con un servomotore a 3000 giri/min (50 giri/s), 500 mm/s richiedono un passo di 10 mm e 1000 mm/s un passo di 20 mm.

5. Verificare la spinta

La trasmissione deve fornire la forza per accelerare il carico, vincere l’attrito e, negli assi verticali, sollevare il peso:

• Orizzontale: F = m · a + μ · m · g + F_processo
• Verticale (in salita): F = m · (g + a) + F_processo

con μ ≈ 0,01 per guide lineari a sfere e g = 9,81 m/s². Per una vite a sfere la spinta disponibile deriva dalla coppia del motore T, dal rendimento η (tipicamente 0,85–0,9) e dal passo P: F = 2π · T · η / P. Un servomotore da 400 W fornisce circa 1,27 N·m di coppia nominale; con η ≈ 0,87 si ottengono circa 1390 N con passo 5 mm – il valore della tabella. Confrontate la forza necessaria con la spinta nominale e mantenete un margine.

6. Verificare i momenti

Se il baricentro è spostato rispetto al carrello, il carico genera momenti di beccheggio, imbardata e rollio sulla guida. Uno sbalzo lungo può sovraccaricare un modulo anche se la massa è ben al di sotto del carico nominale. Controllate i momenti statici e dinamici ammessi nella pagina prodotto; se vengono superati, riducete lo sbalzo, scegliete un modulo più largo oppure un modulo a doppia guida o a doppio azionamento.

7. Motore, freno e controllo

• Usate la taglia di motore consigliata come punto di partenza e verificate coppia, velocità e rapporto d’inerzia con lo strumento di dimensionamento del produttore del motore.
• Gli assi verticali richiedono un motore autofrenante, perché il carico non possa scendere in assenza di alimentazione.
• Definite la disposizione dei sensori di home e di fine corsa e la posizione del motore (in linea o parallela) in base allo spazio disponibile.

Esempio di calcolo

Compito: spostare un carico di 15 kg (pezzo + pinza) in orizzontale su 600 mm in 0,8 s, ripetibilità ±0,02 mm, nessuna forza di processo.

1. Trasmissione: ±0,02 mm e corsa 600 mm → vite a ricircolo di sfere.
2. Profilo di moto: con v = 1,0 m/s e a = 5 m/s², t = 0,6 / 1,0 + 1,0 / 5 = 0,8 s. ✔
3. Passo: 1000 mm/s a 3000 giri/min → passo 20 mm.
4. Carico: BSS140 con passo 20 mm ammette 40 kg in orizzontale → 15 kg vanno bene.
5. Spinta: F = 15 · 5 + 0,01 · 15 · 9,81 ≈ 77 N. La spinta nominale con passo 20 mm è 347 N: ampio margine per la massa del carrello e i picchi di accelerazione.
6. Precisione e corsa: ripetibilità ±0,01 mm e corsa 100–1050 mm. ✔

Risultato: BSS140, passo 20 mm, corsa 600 mm, servomotore da 400 W – poi verificate i momenti per lo sbalzo reale della pinza.

Stesso compito in verticale: con passo 20 mm il carico verticale è solo 10 kg, quindi 15 kg sono troppi. Un passo di 10 mm ammette 22 kg in verticale ma limita la velocità a 500 mm/s: lo spostamento dura circa 1,3 s. Se in verticale servono 0,8 s, valutate la taglia superiore (ad esempio BSS170) o un sistema di bilanciamento – e il motore autofrenante è comunque obbligatorio.

Domande frequenti

Quanto margine devo prevedere?

Molti progettisti mantengono un fattore di circa 1,5–2 tra carico o spinta calcolati e valore nominale, di più in caso di urti, cicli di lavoro intensi o forze di processo incerte.

Perché il carico verticale è molto più basso di quello orizzontale?

In un asse verticale la trasmissione sostiene di continuo l’intero peso e deve anche accelerarlo verso l’alto, quindi lo stesso motore e la stessa vite muovono molta meno massa. Un freno trattiene il carico in assenza di alimentazione.

Qual è la differenza tra ripetibilità e precisione?

La ripetibilità indica quanto precisamente l’asse ritorna nella stessa posizione. La precisione assoluta indica quanto si avvicina a una posizione comandata qualsiasi lungo la corsa. La maggior parte delle applicazioni di automazione dipende dalla ripetibilità; la precisione assoluta dipende anche da classe della vite, montaggio e calibrazione.

Verifichiamo il vostro dimensionamento

Inviateci massa in movimento, sbalzo, orientamento, corsa, tempo ciclo e precisione richiesta: verificheremo carico, spinta e momenti e vi consiglieremo un modulo con disegno da verificare. Contattateci oppure consultate i moduli lineari monoasse.