Pneumatica - Attuatori

Con il termine Attuatori si indicano tutto quegli organi che compiono un lavoro meccanico mediante la traslazione o la rotazione di un apposito elemento. Si distinguono due tipologie di attuatori :

• Cilindri pneumatici : Sono attuatori che, utilizzando l'energia posseduta dall'aria compressa, la trasformano in energia meccanica compiendo spostamenti lineari o rotazioni di ampiezza limitata adatti a compiere moti alternativi.

• Motori pneumatici : Sono attuatori in grado di realizzare rotazioni continue.

Procediamo ora alla loro analisi

- Cilindri pneumatici
Una prima classificazione dei cilindri pneumatici prevede che questi si differenzino in :

• Cilindri a semplice effetto : Nei cilindri a semplice effetto l'aria che svolge l'azione motrice agisce solo su un lato dello stantuffo producendone il moto: l'azione può essere sia spingente che traente a seconda del lato dello stantuffo sul quale si scarica l'azione della pressione ; il moto nella direzione opposta ( moto di rientro o di uscita ) è ottenuto mediante una molla di richiamo presente nel corpo dell'attuatore. In figura 1 possiamo vedere un tipico schema di un cilindro a semplice effetto; in esso distinguiamo un corpo mobile formato da uno stantuffo (4) con asta collegata (stelo del cilindro), una parte esterna formata da una canna (1), due testate quella posteriore cieca (2), quella anteriore (3) attraversata dallo stelo . Si noti che sullo stantuffo è presente una guarnizione di tenuta (5) che isola le due camere indicate col nome di camera posteriore e camera anteriore. La camera posteriore è collegata al condotto di alimentazione-scarico mentre quella anteriore si trova a pressione ambientale grazie ad un apposito condotto realizzato nella testata anteriore. Si ottiene movimento in uscita dello stelo quando la pressione nella camera posteriore vince l'azione della molla; si ha corsa di rientro quando l'azione della molla non può più essere vinta perchè la pressione viene a mancare a causa dello scarico dell'aria dalla camera posteriore. I vantaggi principali dei cilindri a semplice effetto sono rappresentati principalmente dall'utilizzo per il controllo dell'attuatore di semplici valvole. Gli svantaggi sono la presenza della molla di ritorno e la perdita di una parte della forza generata per vincere la resistenza della molla . Indicando con p1 la pressione nella camera motrice ( pari a circa 0,8 p dove p è la pressione fornita dal gruppo di alimentazione ), con S1 la sezione dello stantuffo, con Fr la forza resistente dovuta alla presenza dell'attrito e con Fm la forza dovuta all'azione della molla ( calcolata noto lo schiacciamento X della molla e la sua costante elastica K ), la forza F di lavoro si esprime così :
  
  F = p1 S1 - Fr - Fm
  
  

• Cilindri a doppio effetto : Questi cilindri possono lavorare in entrambi i sensi è possibile cioè esercitare sia azioni di spinta che di tiro utilizzando la pressione dell'aria : si piloterà l'ingresso dell'aria nella camera posteriore per esercitare un azione di spinta mentre la si invierà nella camera anteriore per esercitare l'azione di tiro. Come è ben intuibile a parità di pressione dell'aria le forze di spinta e di tiro sono differenti, quella di tiro è inferiore a causa della minor area utile dello stantuffo : infatti nella camera anteriore l'area utile si ottiene sottraendo all'area dello stantuffo quella dello stelo. Nella figura 2 è riportato lo schema di un tipico cilindro a doppio effetto : in esso si distingue una canna (1) , una testata posteriore (2), una testata anteriore (3) attraversata dallo stelo (5) , uno stantuffo (4) e una doppia guarnizione di tenuta (5). I cilindro a doppio effetto sono più diffusi di quelli a semplice effetto. Indicando con p1 la pressione nella camera motrice ( pari a circa 0,8 p dove p è la pressione fornita dal gruppo di alimentazione ), con p2 la pressione nella camera di scarico ( circa 0,2-0,4 bar ), con S1 la sezione dello stantuffo, con S2 la sezione su cui agisce la pressione nella camera di scarico e con Fr la forza resistente dovuta alla presenza dell'attrito, la forza F di lavoro si esprime così :
  
  F = p1 S1 - p2 S2 - Fr

Un metodi pratico per il calcolo della forza effettiva consiste nel calcolare F non tenendo conto della componente d'attrito e della componente legata alla pressione p2 e poi ridurre il valore ottenuto del 10-20% . Per questo procedimento, valide per entrambe le tipologie di cilindro, si utilizzano le seguenti formule valide rispettivamente nel caso di utilizzo in spinta e in tiro :

: diametro stelo

La seguente tabella riassume in funzione dell'alesaggio e della pressione di alimentazione, il valore delle forze teoriche di spinta e di tiro, espresse in daN ,secondo quanto riportato dalla norma UNI 3320 :

La pressione normalmente utilizzata per alimentare i cilindri è di circa 5-6 bar. Per ciò che riguarda le corse, per i cilindri a semplice effetto si arriva fino a 100-200 mm mentre i cilindri a doppio effetto possono raggiungere corse fino a 5-6 metri.
Un dato importante nell'utilizzo di questi attuatori è il consumo d'aria, perchè noto questo è possibile dimensionare correttamente la linea di alimentazione. Essenzialmente per il calcolo del consumo d'aria disogna avere un idea delle dimensioni del sistema che si stà progettando, degli attuatori pneumatici presenti e del tipo di lavoro che si deve eseguire.
Nel caso di cilindri a semplice effetto il consumo d'aria in dm^3/min si esprime con la seguente relazione :

Q = q s n

dove q è il consumo d'aria per centimetro di corsa eseguita dal cilindro, s è la corsa espressa in centimetri ed n è il numero di cicli di lavoro al minuto compiuti dal cilindro.
Per i cilindri a doppio effetto il consumo d'aria deve tener conto di entrambe le corse quindi al consumo q si affianca un altro consumo w; la formula diventa quindi la seguente :

Q = ( q + w ) s n

I valori dei consumi q ( corsa di uscita ) e w ( corsa di rientro ) possono così esprimersi :

           p : pressione assoluta di esercizio in bar

I cilindri sono montati tenendo conto essenzialmente della cinematica di movimento dello stelo e delle modalità di applicazione del carico. Solitamente lo stelo dovrebbe essere sollecitato esclusivamente con sforzi assiali cercando di evitare carichi radiali e momenti flettente che creerabbero effetti dannosi compromettendo la durata di vari componenti del cilindro ( in particolare pattini delle boccole di guida dello stelo e guarnizioni di tenuta ). Essenzialmente sono possibili 6 tipologie di montaggio :

1. Montaggio su supporto fisso con squadrette a L

2. Montaggio con tiranti direttamente ad un supporto fisso

3. Montaggio con piastra collegata da un lato al supporto fisso e dall'altro ad una testata

4. Montaggio con cerniera posteriore che permette una parziale rotazione del corpo del cilindro

5. Montaggio con cerniera intermedia fissata sul corpo del cilindro

6. Montaggio con giounto cardanico che lascia libere le rotazioni attorno a due assi.

Oltre al fissaggio del corpo del cilindro ad una parte fissa occorre prevedere un corretto collegamento dello stelo con l'elemento da movimentare; i collegamenti da utilizzare sono di tipo rigido o cedevole . Alcuni tipi di collegamento sono di seguito elencati :

1. Collegamento mediante estremità filettata dello stelo con utilizzo di dado e controdado

2. Collogamento con snodo a forcella maschio o femmina

3. Collegamento con cerniera oscillante (nipplo)

- Motori pneumatici
I motori pneumatici sono attuatori rotativi in grado di assicurare rotazioni continue. I principali motori pneumatici sono :

• Motori a pistoni

• Motori ad ingranaggi

• Motori a palette : sono i più diffusi per la loro semplicità il basso ingombro e l'elevata potenza sviluppata per unità di massa e di volume ; le potenze variano tra i 70 W e i 10 kW con regimi di velocità compresi tra 1000 e 20000 giri/min .

L'utilizzo dei motori pneumatici è particolarmente indicato nelle applicazioni dove si è in presenza di sostanze infiammabili o esplosive. Analizzando le curve prestazionali di questi azionamenti pneumatici si nota la presenza di un andamento della coppia in funzione della velocità di tipo lineare il che consente un ampio tratto di regolazione delle due grandezze. Sono insensibili al calore e all'umidità ambientale : la coppia diminuisce al crescere della velocità in modo praticamente lineare , fino alla velocità massima consentita dal motore (velocità di fuga). L'elevata coppia presente alle basse velocità è imortante in quelle applicazioni caratterizzate da elevate coppie di spunto: si noti che i motori pneumatici non subiscono danneggiamenti anche se il rotore viene bloccato.