Cosa sono gli attuatori elettrici e come sceglierli

Un attuatore elettrico è una sorta di trasduttore, in quanto a differenza di un attuatore meccanico (idraulico o pneumatico), trasforma energia elettrica in energia meccanica, ad esempio, convertendo il movimento rotatorio di un motore elettrico in uno lineare di un elemento meccanico.

Gli attuatori elettrici lineari generalmente presentano un’asta che risponde al segnale elettrico di ingresso con un movimento di estensione o di retrazione per spostare un carico o un componente di un secondo meccanismo.

Gli attuatori elettrici sono in grado di trasformare, quindi, energia in movimento, in un processo di automazione elettromeccanica.

In commercio esiste un’ampia varietà di attuatori elettrici lineari. Alcuni, in particolare:

• Attuatori passo-passo miniaturizzati
• Attuatori paralleli
• Attuatori ad L
• Attuatori in linea

Gli attuatori elettrici passo-passo miniaturizzati sono azionati da un motore elettrico passo-passo in corrente continua senza spazzole che converte il movimento rotatorio del motore in movimento lineare di una vite senza fine. Le dimensioni ridotte di questo tipo di attuatori elettrici li rendono adatti per applicazioni di biologia molecolare e chimica analitica.

Gli attuatori lineari elettrici miniaturizzati vengono utilizzati anche nella robotica, perché consentono di sostituire ingranaggi, motori e servomeccanismi che risultano più ingombranti e complicati.

Gli attuatori elettrici paralleli presentano un motore parallelo a una vite senza fine, a differenza degli attuatori elettrici ad L in cui il motore è perpendicolare alla vite: nei primi la trasmissione avviene tramite ingranaggi cilindrici a denti dritti, che offrono prestazioni più efficienti rispetto agli ingranaggi a ruota elicoidale degli attuatori ad L ma sono molto meno silenziosi.

Gli attuatori elettrici in linea sono azionati da un motore elettrico allineato alla vite, per cui la lunghezza di ingombro è maggiore; tuttavia, la trasmissione mediante ingranaggi epicicloidali richiede un minore spazio d'installazione.

Tra gli accessori degli attuatori elettrici, vanno menzionati i controller, che offrono importanti funzioni di sicurezza come l'arresto automatico. Anche se un controller in genere serve un unico attuatore, ricorrendo ai relè è possibile controllare più attuatori.

La scelta corretta degli attuatori elettrici lineari si basa sul campo di applicazione - come, ad esempio, i macchinari industriali, le macchine agricole, la strumentazione medicale - ma occorre che tenga conto anche di particolari requisiti tecnici, come la velocità, la capacità di carico, il carico dinamico, i cicli di lavoro e l’ambiente di funzionamento.

Ogni sistema è caratterizzato da un limite massimo di velocità e di carico; il binomio velocità elevate-carichi eccessivi porta a un'usura accelerata e riduce la vita utile non solo degli attuatori ma anche dei dispositivi azionati.

Lo spazio destinato all’attuatore all’interno del sistema e l'ambiente in cui quest’ultimo è alloggiato sono ulteriori elementi da tenere in considerazione.

Uno spazio ristretto o limitazioni di ingombro influiscono sulla possibile integrazione di un determinato tipo di attuatore elettrico nell’apparecchiatura; sapere in anticipo se l’ambiente di funzionamento dell’apparecchiatura o del sistema è al chiuso o all’aperto, l’eventuale presenza di polvere, umidità o contaminanti, le modalità di pulizia, il livello di rumorosità tollerato e richiesto influiscono sui materiali utilizzati e sull'indice di protezione IP del dispositivo, quindi consentono di individuare i tipi di attuatori elettrici più idonei.

Ad esempio, gli attuatori elettrici a motore parallelo o allineato alla vite senza fine presentano una maggiore compattezza, per cui sono più adatti per l'installazione in spazi ridotti, mentre la bassa rumorosità di un attuatore elettrico con ingranaggi a ruota elicoidale lo rende ideale per i dispositivi medicali o di uso domestico.

La gamma di applicazioni degli attuatori elettrici lineari non ha limiti: dalla semplice apertura e chiusura di porte e sportelli a controlli complessi quali l’azionamento di meccanismi di centrali idroelettriche o la regolazione di valvole e nastri trasportatori industriali, con un lungo elenco di altri impieghi in numerosi campi.

Vediamo come possiamo comandare un attuatore elettrico lineare con una scheda Arduino tra le diverse versioni disponibili nello shop Arduino, un semplice sketch IDE e una classica scheda a 2 relè (R1 ed R2) che azionano la spinta e la retrazione dell’asta dell’attuatore come nel seguente schema:

Nello schema osserviamo che al contatto COM di R1 è collegato il positivo di alimentazione dell’attuatore, mentre al COM di R2 è collegato il negativo. Ai contatti Nc ed No dei due relè, l'alimentazione a 12 V e il negativo (che collegheremo a massa, Gnd) sono invertiti. Infine, le uscite di comando dei due relè R1 ed R2 sono collegate a due pin digitali della scheda Arduino (ad esempio i pin 9 e 10).

Per semplicità non sono riportati i pin di alimentazione a 5 V e di Gnd sia della scheda a relè che della scheda Arduino, ma sappiamo che il microcontrollore viene alimentato a 5 V dal PC che esegue lo sketch di funzionamento del progetto.

Il semplice sketch riportato di seguito consente di azionare in sequenza l’attuatore con un movimento alternato di spinta e retrazione:

void setup( )

{

pinMode(9, output);

pinMode(10, output);

digitalWrite(9, Low);

digitalWrite(10, High);

}

void loop( )

{

spinta( );

delay(4000);

retrazione( );

delay(4000);

}

void spinta( )

{

digitalWrite(9, High);

digitalWrite(10, High);

}

void retrazione( )

{

digitalWrite(9, Low);

digitalWrite(10, Low);

}

Nello sketch abbiamo impostato il valore iniziale dei due pin digitali 9 e 10 di Arduino rispettivamente su basso (Low) e alto (High), in modo che inizialmente l’attuatore non venga alimentato dalla configurazione iniziale dei contatti Nc ed No dei due relè.

Abbiamo, quindi, definito due variabili (spinta e retrazione) le quali, tramite la commutazione dei relè R1 ed R2, azionano rispettivamente il movimento di avanzamento dell’asta dell’attuatore elettrico quando entrambi i pin 9 e 10 sono al valore alto e la retrazione dell’asta quando entrambi sono al valore basso, con una pausa di 4 secondi (4000 millisecondi) tra i due movimenti.

Non ci resta che compilare ed eseguire lo sketch per vedere l’attuatore in azione.

In questa guida hai scoperto cosa sono e come funzionano gli attuatori elettrici, hai visto in cosa si differenziano i principali attuatori disponibili in commercio e come vengono utilizzati, infine hai osservato il funzionamento di un attuatore elettrico lineare comandato da Arduino.

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