Un attuatore è un componente di una macchina che è responsabile dello spostamento e del controllo di un meccanismo o di un sistema, ad esempio aprendo una valvola. In termini semplici, è un “motore”.

Un attuatore richiede un segnale di controllo e una fonte di energia. Il segnale di controllo è energia relativamente bassa e può essere tensione o corrente elettrica, pressione pneumatica o idraulica o anche energia umana. La sua principale fonte di energia può essere una corrente elettrica, una pressione del fluido idraulico o una pressione pneumatica. Quando riceve un segnale di controllo, un attuatore risponde convertendo l’energia del segnale in movimento meccanico.

Un attuatore è il meccanismo con cui un sistema di controllo agisce su un ambiente. Il sistema di controllo può essere semplice (un sistema meccanico o elettronico fisso), basato su software (ad esempio un driver di stampa, un sistema di controllo del robot), un input umano o qualsiasi altro input.

Storia
La storia del sistema di attuazione pneumatico e del sistema di attuazione idraulico risale ai tempi della seconda guerra mondiale (1938). Fu creato per la prima volta da Xhiter Anckeleman (pronunciato ‘Ziter’) che usò la sua conoscenza dei motori e dei sistemi frenanti per trovare una nuova soluzione per garantire che i freni di un’automobile esercitassero la massima forza, con la minima usura possibile.

Idraulico
Un attuatore idraulico è costituito da un cilindro o un motore a fluido che utilizza l’energia idraulica per facilitare il funzionamento meccanico. Il movimento meccanico fornisce un’uscita in termini di movimento lineare, rotatorio o oscillatorio. Poiché i liquidi sono quasi impossibili da comprimere, un attuatore idraulico può esercitare una grande forza. Lo svantaggio di questo approccio è la sua accelerazione limitata.

Il cilindro idraulico è costituito da un tubo cilindrico cavo lungo il quale scorre un pistone. Il termine a semplice effetto viene utilizzato quando la pressione del fluido viene applicata a un solo lato del pistone. Il pistone può muoversi solo in una direzione, spesso viene utilizzata una molla per dare al pistone una corsa di ritorno. Il termine doppia azione viene usato quando la pressione viene applicata su ciascun lato del pistone; qualsiasi differenza di pressione tra i due lati del pistone sposta il pistone da un lato o dall’altro.

Pneumatico
Gli attuatori pneumatici consentono di produrre forze considerevoli con cambi di pressione relativamente piccoli. Un attuatore pneumatico converte l’energia formata dal vuoto o dall’aria compressa ad alta pressione in movimento lineare o rotatorio. L’energia pneumatica è auspicabile per i comandi principali del motore poiché può reagire rapidamente all’avvio e all’arresto poiché la fonte di alimentazione non deve essere immagazzinata in riserva per il funzionamento. Inoltre, gli attuatori pneumatici sono più sicuri, più economici e spesso più affidabili e potenti degli altri attuatori. Queste forze sono spesso utilizzate con le valvole per spostare i diaframmi per influenzare il flusso di aria attraverso la valvola.

Elettrico
Un attuatore elettrico è alimentato da un motore che converte l’energia elettrica in coppia meccanica. L’energia elettrica viene utilizzata per azionare apparecchiature come valvole multigiro. Inoltre, un freno è tipicamente installato sopra il motore per evitare che il fluido apra la valvola. Se non è installato alcun freno, l’attuatore scopre la valvola aperta e la riporta in posizione chiusa. Se continua così, il motore e l’attuatore si danneggeranno. È una delle forme di attuatore più pulite e più facilmente disponibili perché non coinvolge direttamente olio o altri combustibili fossili.

La struttura di un attuatore elettrico è semplice rispetto a quella degli attuatori idraulici e pneumatici, poiché richiedono solo energia elettrica come fonte di energia. Poiché i cavi elettrici sono utilizzati per trasmettere elettricità e segnali, sono estremamente versatili e non ci sono praticamente limitazioni per quanto riguarda la distanza tra la fonte di alimentazione e l’attuatore.

Esiste un gran numero di modelli ed è facile utilizzarli con motori elettrici standardizzati a seconda dell’applicazione. Nella maggior parte dei casi è necessario utilizzare riduttori, poiché i motori sono in funzionamento continuo.

Uso di un pistone elettrico per azionare una piccola valvola.

La forma più semplice per l’azionamento con un pistone, sarebbe l’installazione di una leva integrale con una cerniera attaccata ad una superficie parallela all’asse del pistone di guida e alle entrate filettate.

Ci sono Muscular Wires®, che consentono movimenti silenziosi senza motori. È la tecnologia più innovativa per la robotica e l’automazione, nonché per l’implementazione di piccoli attuatori.

Ci sono anche polimeri elettroattivi, PEA (per il suo acronimo in spagnolo) o EAP (per il suo acronimo in inglese), che sono polimeri che di solito cambiano forma o dimensione quando stimolati da un campo elettrico. Vengono principalmente utilizzati come attuatori, sensori o la generazione di muscoli artificiali da utilizzare in robotica e protesi.

Polimero ritorto e avvolto (TCP) o polimero supercoiled (SCP)
Attuatore a polimero attorcigliato e a spirale (TCP) noto anche come attuatore a polimero supercoiled (SCP) è un polimero a spirale che può essere azionato mediante energia elettrica. Un attuatore TCP sembra una molla elicoidale. Gli attuatori TCP sono generalmente realizzati in nylon rivestito di argento. Gli attuatori TCP possono anche essere realizzati da altri rivestimenti elettrici di conduttanza come l’oro. L’attuatore TCP dovrebbe essere sotto carico per mantenere il muscolo esteso. L’energia elettrica si trasforma in energia termica a causa della resistenza elettrica, che è anche conosciuta come riscaldamento Joule, riscaldamento Ohmic e riscaldamento resistivo. Poiché la temperatura dell’attuatore TCP aumenta con il riscaldamento del Joule, il polimero si contrae e provoca la contrazione dell’attuatore.

Attuatori piezoelettrici
Sono quei dispositivi che producono movimento (spostamento) sfruttando il fenomeno fisico della piezoelettricità. Gli attuatori che utilizzano questo effetto sono disponibili da circa 20 anni e hanno cambiato il mondo del posizionamento. Il movimento preciso che risulta quando un campo elettrico viene applicato al materiale è di grande valore per il nano-posizionamento.

È possibile distinguere i seguenti tipi:

Tipo di pila
Di tipo “Flexure”
Combinato con un sistema di posizionamento motorizzato di alto livello

Termico o magnetico
Attuatori che possono essere azionati applicando energia termica o magnetica sono stati utilizzati in applicazioni commerciali. Gli attuatori termici tendono ad essere compatti, leggeri, economici e con un’alta densità di potenza. Questi attuatori utilizzano materiali a memoria di forma (SMM), come leghe a memoria di forma (SMA) o leghe magnetiche a memoria di forma (MSMA). Alcuni produttori famosi di questi dispositivi sono finlandesi Modti Inc., American Dynalloy e Rotork.

Meccanico
Un attuatore meccanico funziona per eseguire il movimento convertendo un tipo di movimento, come il movimento rotatorio, in un altro tipo, come il movimento lineare. Un esempio è un pignone e cremagliera. Il funzionamento degli attuatori meccanici si basa su combinazioni di componenti strutturali, come ingranaggi e guide, o pulegge e catene.

Attuatori elettronici
Gli attuatori elettronici sono anche ampiamente utilizzati nei dispositivi meccatronici, come i robot. I servomotori AC brushless verranno utilizzati in futuro come attuatori di posizionamento precisi a causa della richiesta di funzionamento senza tante ore di manutenzione dell’energia nucleare.

Attuatori idraulici
Gli attuatori idraulici, che sono i più vecchi, possono essere classificati secondo la forma operativa, funzionano sulla base di fluidi pressurizzati. Ci sono tre gruppi principali:

cilindro idraulico
motore idraulico
motore oscillante idraulico
Cilindro idraulico
Secondo la sua funzione possiamo classificare i cilindri idraulici in 2 tipi: effetto semplice e doppia azione. Nel primo tipo, la forza idraulica viene utilizzata per spingere e una forza esterna, diversa, per contrarsi. Il secondo tipo utilizza la potenza idraulica per eseguire entrambe le azioni. Il controllo dello sterzo viene effettuato mediante un solenoide. All’interno hanno una molla che cambia la sua costante elastica con il passaggio di corrente. Cioè, se la corrente scorre attraverso il pistone elettrico può essere facilmente estesa.

Cilindro a pressione dinamica
Trasportare il carico alla base del cilindro. I costi di produzione sono generalmente bassi in quanto non vi sono parti che scivolano all’interno del cilindro.

Cilindro a singolo effetto
La barra è solo ad una estremità del pistone, che è contratta da molle o dalla stessa gravità. Il carico può essere posizionato solo su un’estremità del cilindro.

Cilindro a doppio effetto
Il carico può essere posizionato su entrambi i lati del cilindro. Un impulso orizzontale viene generato a causa della differenza di pressione tra le estremità del pistone

Cilindro telescopico
La barra del tipo a tubi multistadio viene spinta in successione quando viene applicata al cilindro dell’olio pressurizzato. Una corsa relativamente lunga può essere raggiunta rispetto alla lunghezza del cilindro

Motore idraulico
Nei motori idraulici il movimento rotatorio è generato dalla pressione. Questi motori possono essere classificati in due grandi gruppi: Il primo è un tipo rotativo in cui gli ingranaggi sono guidati direttamente dall’olio sotto pressione, e il secondo, di tipo oscillante, il movimento rotatorio è generato dall’azione oscillatoria di un pistone o martello; Questo tipo ha una domanda maggiore a causa della sua maggiore efficienza. Di seguito è riportata la classificazione di questo tipo di motore

Motoriduttore
Motore rotativo a palette
Motore dell’elica
Motore idraulico Motore eccentrico a camme
Pistone assiale
Motore oscillante con asse inclinato
Motoriduttore: l’olio in pressione scorre dall’ingresso che agisce sulla faccia dentata di ciascuna coppia generatrice di ingranaggi nella direzione della freccia. La struttura del motore è semplice, quindi è altamente raccomandata per l’uso in operazioni ad alta velocità.
Motore con pistone ad asse inclinato
L’olio pressurizzato che fuoriesce dall’ingresso spinge il pistone contro la flangia e la forza risultante nella direzione radiale fa ruotare l’albero e il blocco cilindri nella direzione della freccia. Questo tipo di motore è molto conveniente per applicazioni ad alta pressione e ad alta velocità. È possibile modificare la sua capacità modificando l’angolo di inclinazione dell’asse.

Motore oscillante con pistone assiale
La sua funzione è quella di assorbire un certo volume di fluido sotto pressione e restituirlo al circuito quando ne ha bisogno.

Attuatori pneumatici
I meccanismi che convertono l’energia dell’aria compressa in lavoro meccanico sono chiamati attuatori pneumatici. Sebbene in sostanza siano identici agli attuatori idraulici, la gamma di compressione è inferiore in questo caso, oltre a ciò vi è una piccola differenza in termini di utilizzo e rispetto alla struttura, motivata dagli elementi di alimentazione (aria) sono diversi da quelli utilizzati nei cilindri idraulici.

In questa classificazione compaiono i soffietti e i diaframmi, che usano l’aria compressa e sono considerati come attuatori a effetto semplice, e anche i muscoli artificiali in gomma, che ultimamente hanno ricevuto molta attenzione.

Effetto semplice
Cilindro pneumatico
Attuatore pneumatico a doppio effetto
Attuatore lineare a doppio effetto senza gambo
Con ingranaggio e cremagliera
Con ingranaggio e doppia cerniera
Motore pneumatico a palette
Con pistone
Con una banderuola allo stesso tempo
multivalvola
Motore rotativo con pistone
Dalla fessura verticale
tuffatore
Soffietti, diaframma e muscolo artificiale
Cilindro a singolo effetto
Pallet rotanti
Sono elementi del motore progettati per fornire una rotazione limitata in un albero di uscita. La pressione dell’aria agisce direttamente su una o due pale che stampano un movimento di svolta. Questi non superano i 270 ° e quelli del doppio pallet non superano i 90 °.

Parti di un attuatore
Sistema “Chiave di sicurezza”: questo metodo di chiave di sicurezza per il mantenimento dei coperchi dell’attuatore utilizza un nastro cilindrico in acciaio inossidabile flessibile in una scanalatura scorrevole lavorata a macchina. Ciò elimina la concentrazione di sollecitazioni causate da carichi centrati sulle viti delle coperture e degli elicoidali. Le chiavi di sicurezza aumentano notevolmente la resistenza del gruppo attuatore e forniscono un blocco di sicurezza contro il disaccoppiamento pericoloso.
Pignone con scanalatura: questa scanalatura nella parte superiore del pignone fornisce una trasmissione diretta autocentrante per indicatori di posizione e interruttori di posizione, eliminando l’uso di flange di accoppiamento. (Secondo la norma Namur).
Cuscinetti di giunzione: questi giunti di giunzione e giunture filettati servono a semplificare l’accoppiamento dei raccordi da montare sulla parte superiore. (Secondo gli standard ISO 5211 e VDI).
Grande passaggio d’aria: i condotti interni per il passaggio d’aria extra large consentono un rapido funzionamento ed evitano il loro blocco.
Muñoneras: un nuovo design e massima durata, lubrificato permanentemente, resistente alla corrosione e facile da sostituire, prolunga la vita dell’attuatore nelle applicazioni più severe.
Costruzione: deve essere fornita una forza massima contro ammaccature, urti e fatica. Il suo pignone e cremagliera deve essere di grande calibro, deve essere lavorato con macchinari di alta precisione ed elimina il gioco per essere in grado di ottenere posizioni precise.
Ceramigard: superficie resistente, resistente alla corrosione, simile alla ceramica. Protegge tutte le parti dell’attuatore dall’usura e dalla corrosione.
Rivestimento: un doppio rivestimento, per fornire una protezione extra contro gli ambienti aggressivi.
Accoppiamento: accoppiamento o disaccoppiamento di moduli sostitutivi caricati a molla o sicurezza in caso di mancanza di pressione dell’aria.
Viti di regolazione corsa: fornisce regolazioni per la rotazione del pignone in entrambe le direzioni di marcia; cosa è essenziale per ogni valvola a quarto di giro.
Ruote dentate radiali e portanti del pignone: perni mobili sostituibili che proteggono dai carichi verticali. I silenziatori radiali supportano tutto il carico radiale.
Guarnizioni a pignone: superiore e inferiore: le tenute del pignone sono posizionate in modo da ridurre al minimo ogni possibile distanza, per proteggerle dalla corrosione.
Molle di sicurezza indistruttibili in caso di guasto: queste molle sono progettate e costruite per non guastarsi e sono successivamente protette dalla corrosione. Le molle sono classificate e assegnate in modo particolare per compensare la perdita di memoria a cui ogni molla è soggetta; per la vera fiducia in caso di guasto nella fornitura d’aria.

Gli attuatori più comuni sono:

Cilindri pneumatici e idraulici. Eseguono movimenti lineari.
Motori (attuatori rotanti) pneumatici e idraulici. Eseguono i movimenti di rotazione per mezzo di energia idraulica o pneumatica.
Valvole. Esistono controlli diretti, motorizzati, elettropneumatici, ecc. Sono utilizzati per regolare il flusso di gas e liquidi.
Resistenze di riscaldamento. Sono usati per riscaldare.
Motori elettrici. I più usati sono induzione, continuo, senza spazzole e passo dopo passo.
Pompe, compressori e ventilatori. Spostato generalmente da motori elettrici a induzione.

Attuatori morbidi stampati in 3D
Attuatori morbidi sono stati sviluppati per gestire oggetti fragili come la raccolta di frutta in agricoltura o la manipolazione degli organi interni in biomedicina che è sempre stato un compito impegnativo per la robotica. A differenza degli attuatori convenzionali, gli attuatori morbidi producono un movimento flessibile grazie all’integrazione dei cambiamenti microscopici a livello molecolare in una deformazione macroscopica dei materiali dell’attuatore.

La maggior parte degli attuatori morbidi esistenti sono fabbricati utilizzando processi a bassa resa multistep come microstampaggio, fabbricazione a forma libera solida e litografia a maschera. Tuttavia, questi metodi richiedono la fabbricazione manuale dei dispositivi, la post-elaborazione / assemblaggio e lunghe iterazioni fino al raggiungimento della maturità nella fabbricazione. Per evitare gli aspetti noiosi e dispendiosi in termini di tempo degli attuali processi di fabbricazione, i ricercatori stanno esplorando un approccio di produzione appropriato per la fabbricazione effettiva di attuatori morbidi. Pertanto, gli speciali sistemi soft che possono essere fabbricati in un unico passaggio mediante metodi di prototipazione rapida, come la stampa 3D, sono utilizzati per ridurre il divario tra la progettazione e l’implementazione di attuatori morbidi, rendendo il processo più veloce, meno costoso e più semplice. Consentono inoltre di incorporare tutti i componenti dell’attuatore in un’unica struttura, eliminando la necessità di utilizzare giunti, adesivi e dispositivi di fissaggio esterni. Ciò si traduce in una diminuzione del numero di parti discrete, fasi di post-elaborazione e tempi di fabbricazione.

Gli attuatori morbidi stampati in 3D sono classificati in due gruppi principali: “attuatori morbidi con stampa semi 3D” e “attuatori morbidi stampati in 3D”. La ragione di tale classificazione è di distinguere tra gli attuatori morbidi stampati che sono fabbricati per mezzo del processo di stampa 3D nel suo insieme e gli attuatori morbidi le cui parti sono realizzate da stampanti 3D e successivamente elaborate. Questa classificazione aiuta a chiarire i vantaggi degli attuatori morbidi stampati in 3D rispetto agli attuatori morbidi semi-stampati 3D grazie alla loro capacità di operare senza la necessità di ulteriori assemblaggi.

Gli attuatori con polimeri a memoria di forma (SMP) sono i più simili ai nostri muscoli, fornendo una risposta a una gamma di stimoli come luce, elettrica, magnetica, calore, pH e variazioni di umidità. Hanno alcune carenze tra cui affaticamento e tempi di risposta elevati che sono stati migliorati attraverso l’introduzione di materiali intelligenti e la combinazione di diversi materiali mediante una tecnologia di fabbricazione avanzata. L’avvento delle stampanti 3D ha fatto un nuovo percorso per la produzione di attuatori SMP a basso costo e risposta rapida. Il processo di ricezione di stimoli esterni come il calore, l’umidità, l’ingresso elettrico, la luce o il campo magnetico tramite SMP viene indicato come effetto memoria di forma (SME). SMP presenta alcune caratteristiche gratificanti come una bassa densità, un elevato recupero di deformazione, biocompatibilità e biodegradabilità.

I fotopolimeri / polimeri attivati ​​dalla luce (LAP) sono un altro tipo di SMP che vengono attivati ​​da stimoli luminosi. Gli attuatori LAP possono essere controllati a distanza con una risposta istantanea e, senza alcun contatto fisico, solo con la variazione della frequenza o dell’intensità della luce.

L’esigenza di attuatori morbidi, morbidi, leggeri e biocompatibili nella robotica morbida ha influenzato i ricercatori nella progettazione di attuatori morbidi pneumatici a causa della loro natura intrinseca e della capacità di produrre tensione muscolare.

Polimeri come elastomeri dielettrici (DE), compositi metallici polimerici ionici (IPMC), polimeri elettroattivi ionici, gel polielettroliti e compositi metallo-gel sono materiali comuni per formare strutture stratificate 3D che possono essere adattate per funzionare come attuatori morbidi. Gli attuatori EAP sono classificati come attuatori morbidi stampati in 3D che rispondono all’eccitazione elettrica sotto forma di deformazione.

Esempi e applicazioni
In ingegneria, gli attuatori sono spesso usati come meccanismi per introdurre il movimento o per bloccare un oggetto in modo da impedire il movimento. Nell’ingegneria elettronica, gli attuatori sono una suddivisione di trasduttori. Sono dispositivi che trasformano un segnale di ingresso (principalmente un segnale elettrico) in una qualche forma di movimento.

Esempi di attuatori
Pettine
Dispositivo micromirror digitale
Motore elettrico
Polimero elettroattivo
Cilindro idraulico
Attuatore piezoelettrico
Attuatore pneumatico
Martinetto a vite
Servomeccanismo
Solenoide
Motore passo-passo
Lega a memoria di forma
Bimorfo termico
Attuatori idraulici

Conversione da circolare a lineare
I motori sono utilizzati principalmente quando sono necessari movimenti circolari, ma possono anche essere utilizzati per applicazioni lineari trasformando il movimento circolare in lineare con una vite di comando o un meccanismo simile. D’altra parte, alcuni attuatori sono intrinsecamente lineari, come gli attuatori piezoelettrici. La conversione tra movimento circolare e lineare è comunemente effettuata tramite alcuni semplici tipi di meccanismo, tra cui:

Vite: i martinetti a vite, le viti a ricircolo di sfere e gli attuatori a vite cilindrica funzionano tutti secondo il principio della semplice macchina nota come vite. Ruotando il dado dell’attuatore, l’albero della vite si muove in linea. Spostando l’albero della vite, il dado ruota.
Ruota e asse: argano, argano, cremagliera e pignone, trasmissione a catena, trasmissione a cinghia, catena rigida e attuatori a cinghia rigida funzionano secondo il principio della ruota e dell’asse. Ruotando una ruota / asse (ad esempio tamburo, ingranaggio, puleggia o albero) si muove un elemento lineare (ad esempio cavo, cremagliera, catena o cinghia). Spostando l’elemento lineare, ruota / asse ruota.
Strumentazione virtuale
Nella strumentazione virtuale, attuatori e sensori sono i complementi hardware degli strumenti virtuali.

Metriche sul rendimento
Le metriche prestazionali per attuatori comprendono velocità, accelerazione e forza (in alternativa, velocità angolare, accelerazione angolare e coppia), nonché efficienza energetica e considerazioni quali massa, volume, condizioni operative e durata, tra le altre.

Vigore
Quando si considera la forza negli attuatori per le applicazioni, è necessario prendere in considerazione due parametri principali. Questi due sono carichi statici e dinamici. Il carico statico è la capacità di forza dell’attuatore mentre non è in movimento. Viceversa, il carico dinamico dell’attuatore è la capacità di forza in movimento.

Velocità
La velocità dovrebbe essere considerata principalmente a un ritmo a vuoto, poiché la velocità diminuirà invariabilmente all’aumentare della quantità di carico. La velocità con cui la velocità diminuirà sarà direttamente correlata alla quantità di forza e alla velocità iniziale.

Condizioni operative
Gli attuatori sono comunemente valutati utilizzando il sistema di classificazione del codice IP standard. Quelli classificati per ambienti pericolosi avranno un indice IP più alto di quelli per uso personale o comune industriale.

durabilità
Questo sarà determinato da ogni singolo produttore, a seconda dell’uso e della qualità.