Un movimento elettrico che si lascia comandare
Un attuatore elettrico è un dispositivo che converte energia elettrica in un movimento meccanico controllato, lineare oppure rotativo. La parola che pesa è controllato: un motore, da solo, gira e basta. Un attuatore mette insieme il motore, la trasmissione che ne trasforma la rotazione nel movimento voluto, l’organo che si sposta e i finecorsa che stabiliscono dove quel movimento comincia e dove finisce. È un sottosistema, non un componente singolo.
Negli arredi motorizzati la forma prevalente è quella lineare: un tubo dal quale esce e rientra uno stelo, con due attacchi a snodo alle estremità, uno fissato al telaio e uno alla parte da muovere. Il movimento angolare di una sezione nasce dalla geometria del triangolo formato dai due attacchi e dallo stelo; l’attuatore si limita ad allungarsi e ad accorciarsi lungo il proprio asse.
Dentro l’attuatore: motore, riduttore, vite
La catena cinematica è quasi sempre la stessa. Un motore in corrente continua, alimentato in genere a 24 V, fornisce coppia a giri alti. Un riduttore a ingranaggi abbassa i giri e moltiplica la coppia, perché ciò che il carico chiede è forza e non velocità. La coppia arriva infine a una vite, trapezoidale oppure a ricircolo di sfere, su cui è avvitata una madrevite solidale allo stelo: la madrevite è impedita di ruotare, quindi quando la vite gira lei trasla, e con lei lo stelo.
Ai due estremi della corsa due micro-interruttori tolgono corrente al motore: sono i finecorsa, e senza di essi la madrevite finirebbe in battuta contro la meccanica. Dove serve conoscere anche le posizioni intermedie si aggiunge un sensore di Hall che conta i giri dell’albero, così la centralina sa quanto stelo è uscito. È il motivo per cui due attuatori distinti riescono a muoversi insieme mantenendo l’assetto di un piano.
Perché il carico resta fermo a motore spento
La proprietà si chiama autobloccaggio ed è la ragione per cui una sezione sollevata resta dov’è appena si smette di premere il pulsante. Dipende dall’attrito nella coppia vite-madrevite: in una vite trapezoidale l’elica ha un angolo piccolo e l’attrito di strisciamento è alto, così la spinta assiale che il carico scarica sullo stelo non riesce a far ruotare la vite all’indietro. Il moto passa in un verso solo, dal motore al carico e non al contrario, senza freni e senza valvole di ritegno.
La vite a ricircolo di sfere si comporta all’opposto: sostituisce lo strisciamento con il rotolamento, ha rendimento molto più alto e assorbe meno corrente, ma proprio per questo si lascia trascinare dal carico e da sola non tiene la posizione. Dove la posizione va tenuta si torna alla trapezoidale, oppure si aggiunge un freno elettromagnetico. È uno scambio fra rendimento e capacità di reggere il carico da fermo, e si decide in progetto.
Alcuni modelli portano uno sgancio rapido: una leva o un cordino disaccoppia la trasmissione dallo stelo, e la sezione torna a muoversi per gravità senza alimentazione.
Spinta, corsa, velocità e ciclo di lavoro
Le grandezze di targa sono poche, e ognuna vale alle condizioni con cui è stata misurata.
- Spinta e trazione, in newton: la forza che lo stelo esercita in uscita e in rientro. I due valori possono essere diversi fra loro, e negli arredi motorizzati vanno dalle centinaia ad alcune migliaia di newton.
- Corsa, in millimetri: di quanto lo stelo si allunga fra tutto rientrato e tutto esteso. La lunghezza a riposo è sempre maggiore della corsa, perché il tubo deve contenere la vite.
- Velocità, in millimetri al secondo: cala al crescere del carico. Un valore di velocità senza il carico a cui è riferito non dice niente, e le schede serie riportano la coppia velocità-carico.
- Tensione di alimentazione: di norma 24 V in continua, forniti da una centralina che porta il trasformatore e la logica dei comandi.
- Grado di protezione IP secondo la norma IEC 60529, dove la prima cifra riguarda i corpi solidi e la seconda l’acqua: IP54 copre l’impiego ordinario, gradi più alti servono dove l’involucro deve reggere il lavaggio.
Resta il dato più frainteso, il ciclo di lavoro. Un 10% non significa che l’attuatore vada usato poco: significa un massimo di 2 minuti di funzionamento continuo seguiti da 18 minuti di riposo. Il limite è termico, l’avvolgimento del motore deve smaltire il calore accumulato, e il rapporto vale sul periodo dichiarato dal costruttore, non sulla giornata di lavoro.
Dove lavorano gli attuatori elettrici
Letti di degenza, lettini da visita, poltrone per prelievo e per dialisi, barelle e piani ad altezza variabile. Ogni movimento indipendente ha il proprio attuatore, ed è questo il senso della dicitura a tre motori o a quattro motori riferita a un letto: altezza del piano, schienale, sezione gambe e inclinazione complessiva sono assi separati, ognuno con la sua meccanica e i suoi finecorsa.
I comandi arrivano da una pulsantiera, da una pedaliera o da un telecomando, e passano da una centralina che alimenta il gruppo, sceglie quale attuatore muovere e vieta le combinazioni che porterebbero due parti a interferire.
Sul piano normativo si tratta di apparecchi elettromedicali: la sicurezza di base fa capo alla IEC 60601-1 e la compatibilità elettromagnetica alla IEC 60601-1-2. Per i letti medicali destinati agli adulti esiste una norma particolare dedicata, la IEC 60601-2-52, pubblicata nel 2009 e integrata dall’emendamento del 2015, poi ripubblicata nella serie congiunta fra i due enti come IEC 80601-2-52. Le prescrizioni sulle sponde e sugli spazi fra le parti in movimento stanno in quel documento.
Attuatore, motore, cilindro idraulico
Un motore elettrico produce una rotazione continua e nient’altro: dove si ferma dipende da chi lo comanda. Un attuatore ha una corsa finita, due estremi definiti e spesso la capacità di restare dove lo si lascia. La differenza sta tutta lì: generare movimento non è portare qualcosa da una posizione a un’altra.
Il cilindro idraulico spinge con un fluido in pressione e a parità d’ingombro sviluppa forze molto più alte, ma vuole una pompa, tubazioni e la gestione delle perdite; resta la scelta dei sollevamenti a pedale, dove la sorgente di energia è l’operatore e il movimento è uno solo. Il cilindro pneumatico è rapido ed economico, però l’aria si comprime e la posizione intermedia non si tiene con precisione. Nella stessa famiglia rientra la molla a gas, che attuatore non è: non ha una sorgente di energia propria, accumula e restituisce, e non decide nulla.
Infine il solenoide, con cui il termine viene talvolta scambiato. Ha due sole posizioni, attratta e a riposo, nessuna posizione intermedia governabile e una forza che varia lungo il percorso invece di restare costante. Serve a commutare qualcosa, non a portarlo dove si vuole.
