Cosa sono gli assi lineari?

Gli assi lineari sono strutture meccaniche che permettono di movimentare e posizionare uno o più elementi lungo una retta. Ne esistono di molti generi, dai più semplici e grossolani ai più sofisticati e precisi.

L'asse lineare più semplice è una guida retta su cui scorre un carrello

In meccanica in generale gli assi lineari sono dei sistemi basati su delle guide rette di qualche tipo, sono costruiti in modo tale da permettere di far scorrere degli elementi meccanici lungo una linea retta, da qui il nome. Vengono utilizzati in moltissimi modi in una grande gamma di macchinari. L’elemento meccanico di base con cui si movimentano le parti di un pantografo CNC classico è appunto l’asse lineare, motivo per cui ne parliamo qui.

Scopo d'uso degli assi lineari

La guida di un asse lineare ha sempre lo scopo principale di costringere un elemento meccanico a scorrere solo nei due sensi lungo una retta, migliore è la qualità della guida minore sarà la libertà concessa all’elemento scorrente di deviare in altre direzioni diverse dalle due ideali fissate. Idem per quanto riguarda l’elemento scorrente, la libertà di deviare verso altre direzioni dipende dalla qualità degli elementi dello stesso che ne costringono la movimentazione lungo la guida.

Ciascun componente utilizzato in un asse lineare contribuisce a raggiungere lo scopo di far muovere un elemento meccanico lungo una retta ideale, tuttavia, ovviamente, nessun asse lineare è “perfetto”, va sempre tenuto a mente il fatto che quel che avviene nella realtà è che l’elemento scorrente, per quanto potrà essere alta la qualità dell'asse lineare, viaggerà sempre e comunque lungo una curva tridimensionale lievemente irregolare che rassomiglia una retta ideale.

Metodi per la creazione degli assi lineari

La guida può essere costruita in molti modi diversi, ad esempio può essere un profilo a C al cui interno un carrello a rotelle semplici, rotelle con cuscinetti a sfere, cuscinetti a rulli od altro, può scorrere costretto nei due soli sensi possibili.

Può essere una barra cilindrica su cui scorre un manicotto, una struttura classica di questo genere è composto da una barra d’acciaio cilindrica rettificata lappata ed incrudita su cui scorre un manicotto con cuscinetto radente del tipo bronzina, sui nostri pantografi High-Z viene utilizzato questo metodo.

Molti altri metodi sono utilizzati per creare la guida, un metodo moderno e molto apprezzato sono le guide lineari a ricircolo di sfere, offrono molti vantaggi, dipendendo dalla qualità e tipologia possono offrire elevata od elevatissima precisione, elevata velocità di scorrimento, discreta, buona od ottima resistenza alle sollecitazioni meccaniche, godono di buona resistenza all’usura poiché l’elemento scorrente è dotato di un cuscinetto a sfere sofisticato e l’attrito principale fra i due elementi è di tipo volvente distribuito su molti punti di contatto.

Tipi di assi lineari

Gli assi lineari possono essere congegnati per essere utilizzati a mano libera, per mezzo di attuatori azionati manualmente o motorizzati.

Si pensi ad esempio alla riga utilizzata su un classico tecnigrafo per il disegno tecnico, il disegnatore semplicemente muove la squadra collegata ad un asse lineare trascinandola a mano, seppur molto semplice e manuale un sistema di questo tipo permette di compiere operazioni complesse con buona accuratezza.

Oggi in generale per asse lineare si intende un sistema che viene movimentato in maniera controllata ed accurata per mezzo di attuatori, che ad esempio permettono anche di fissarli con fermezza in una determinata posizione e di spostarli con esattezza micrometrica, si pensi ad esempio ad un classica tavola a croce usata tipicamente per produzioni di meccanica di precisione, spesso in combinazione con fresatrici tradizionali.

Gli attuatori possono essere di vario genere, ingranaggi, cinghie, viti infinite, cremagliere con pignoni, ciascun metodo offre vantaggi e svantaggi in termini di accuratezza, precisione, velocità, resistenza, usura, etc…

Se manuali di norma sono dotati di cosiddetti volantini, eventualmente anche di riduttori per poterli muovere precisamente di frazioni di millimetro, se motorizzati solitamente sono equipaggiati di motori brushless passo passo o servomotori, ma possono essere equipaggiati anche di motori ad induzione lineari ad esempio.

Inoltre ne esistono moltissime tipologie caratterizzati da caratteristiche meccaniche adatte ai più disparati scopi ed esigenze, in genere si scelgono secondo lo scopo applicativo per precisione del posizionamento, velocità, capacità di carico, rigidità e resistenza alle sollecitazioni, forma (quadrata, rettangolare, bassi e larghi, alti e stretti etc..), dimensioni, capacità di resistere in ambienti particolari, ad esempio ad alte o basse temperature, ambienti inquinati da abrasivi, sostanze chimiche, umidità e così di seguito, come si comprende dunque ne esistono veramente di tantissimi tipi.

Gli assi lneari vengono utilizzati combinati in vario modo in sistemi complessi

Gli assi lineari possono essere combinati fra di loro, in tal modo ad esempio è possibile creare assi lineari in cui due o più assi disposti parallelamente creano un asse lineare composito che offre più punti di supporto scorrenti, questi potranno essere impegnati per trasportare un unico elemento che godrà dunque di un supporto più robusto, un sistema di questo tipo ad esempio gode di miglior resistenza alle torsioni.

Naturalmente gli assi lineari possono essere anche accoppiati fra di loro in modo che un asse lineare semplice o composito possa essere utilizzato per far scorrere un altro asse disposto in un altra direzione. Su questo secondo asse se ne può montare un terzo che permette movimentazioni in una direzione diversa dalle prime due, e così di seguito.

Con queste metodiche dunque si possono creare sistemi di movimentazione che possono sostenere elementi di vario genere, anche di grande massa, e che possono movimentarli con differenti gradi di libertà, quindi in una dimensione, due dimensioni o tre dimensioni e se più complessi con gradi di libertà di movimento aggiuntivi, infatti sistemi di assi lineari possono essere associati anche ad assi rotativi anziché lineari.

I pantografi CNC sono costruiti usando assi lineari ed eventuali assi rotativi

I pantografi CNC classici che permettono ad un elemento di supporto per una testa utensile la libertà di movimento nelle 3 dimensioni sono creati usando appunto assi lineari, in genere sono costruiti usando un asse lineare composto da due assi lineari paralleli che fungono da supporto ad un ponte che ospita un asse lineare ortogonale alla direzione dal primo asse composito, infine su di questo viene montato un ulteriore asse lineare ortogonale al piano descritto dal primo asse.

Poiché sistemi di questo tipo sostanzialmente consistono nella realizzazione pratica di un macchinario basato sul concetto di sistema di riferimento cartesiano vengono anche chiamati pantografi cartesiani, se sono automatizzati sono chiamati anche robot cartesiani.

Gli assi lineari vengono costruiti anche in forma di moduli indipendenti assemblabili in sistemi complessi

Gli assi lineari vengono anche costruiti come moduli indipendenti pronti per essere integrati in macchinari di vario tipo, ne esistono di tutti i generi e dimensioni, sono utilizzati sopratutto nell’industria per creare linee di produzione automatiche che possono essere di complessità varia, dalle più semplici ad un asse alle più sofisticate che utilizzano una moltitudine di assi, anche molte decine, o più, non ci sono limiti.

Ad esempio una macchina potrebbe avere un asse trasporta un materiale in una determinata posizione, un altro asse lo preleva e lo ruota, lo stesso asse lo trasporta in un altra posizione, un ulteriore asse dotato di una testa marcatrice lo stampiglia mentre altri due depositano sullo stesso altri due elementi accessori, altri due assi fanno calare sui due elementi accessori dei saldatori che li fissano sul pezzo base, dopodiché un altro asse lo preleva con una pinza, o ventosa od altro strumento prensile, e grazie ad un altro asse ancora su di cui è montato lo trasporta in un altro punto del macchinario dove altri assi compiono altre azioni, etc..

Come si capisce la complessità dei macchinari che si possono costruire grazie agli assi lineari può essere estrema, in generale inoltre si può dire che questo genere di sistemi mette in pratica degli algoritmi, ovvero una serie di operazioni semplici sequenziali che permette di risolvere problemi complessi.

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