Valutazione tecnico-economica dell'impiego di attuatori lineari per applicazioni di industriali

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componente per l’applicazione industriale e soprattutto hanno (fissando 
standard di qualità e caratteristiche) livellato i prezzi così spostando la 
scelta del componente, da un livello puramente economico a uno tecnico-
economico. 
In questo contesto, quindi, conviene seguire una duplice strategia nella 
scelta di un componente per la propria applicazione industriale: 
1. nel caso sia abbia la possibilità di utilizzare più di una 
configurazione di cilindro, è utile introdurre parametri e indici 
tecnico-economici che permettano il confronto tra soluzioni 
apparentemente equivalenti; 
2. individuare le minime differenze intercorrenti tra l’offerta di uno o 
l’altro produttore e, soprattutto, verificare il mercato dei fornitori alla 
ricerca di sconti di quantità migliori.   
La valutazione tecnico economica che si intende realizzare nella presente 
tesi, parte da un’illustrazione delle caratteristiche salienti dei cilindri, per 
poi introdurre la ricerca commerciale che ha avuto lo scopo di identificare 
la gamma messa a disposizione sul mercato da ciascun produttore. 
Da questa ricerca è stato possibile individuare i prodotti maggiormente 
richiesti e effettuare su di essi una più approfondita indagine tecnico-
economica. 
L’individuazione delle caratteristiche fondamentali che ne determinano la 
prestazione (alesaggio, diametro stelo, corsa, forze sviluppabili) ha 
permesso di confrontare l’offerta dei diversi produttori. Il reperimento dei 
listini ha permesso di confrontare i prezzi indicati dai costruttori senza 
considerare gli sconti praticati dai fornitori. 
Dall’unione di queste due fasi sono stati elaborati alcuni indici che 
correlano la variazione di prezzo a quella dei parametri di prestazione, 
consentendo un confronto corretto e completo tra diversi componenti, ai 
fini della specifica applicazione. 
 
 
 
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Capitolo 1 
Attuatori lineari: i cilindri 
 
 
 
 
 
1.1 Cilindri pneumatici 
 
I cilindri sono gli organo attuatori più diffusi: essi rappresentano il mezzo 
base per spingere, sollevare pesi, bloccare particolari in lavorazione, 
alimentare apparecchiature, rimuovere pezzi, azionare leve, ecc. 
I cilindri  trasformano l’energia dell’aria compressa in lavoro meccanico, 
producendo forze che sono proporzionali alla pressione di alimentazione 
adoperata; si possono quindi ottenere prestazioni diverse con uno stesso 
cilindro. I cilindri sono motori di tipo lineare in quanto producono uno 
spostamento lungo l’asse del cilindro stesso. 
 
1.1.1 Caratteristiche costruttive 
 
Come si vede dalla fig. 1.1 che rappresenta schematicamente un cilindro 
pneumatico, questo si compone essenzialmente di 5 parti. 
 
 
 
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Corpo 
Costituito da un tubo (generalmente acciaio o ottone) lappato 
internamente allo scopo di diminuire al massimo le resistenze di attrito e 
l’usura delle guarnizioni. 
 
Pistone 
Costituito da un disco metallico che porta sulla circonferenza una 
guarnizione in gomma o altro materiale sagomato in modo tale da poter 
esercitare la tenuta contro le pareti del corpo del cilindro. 
 
 
Stelo 
Costituito da un’asta di acciaio che può essere cromato o inossidabile a 
sezione circolare, rigidamente collegata al pistone e sporgente dal cilindro 
allo scopo di rendere possibile il collegamento del cilindro stesso 
all’utilizzatore. Essendo necessaria una guarnizione di tenuta fra la 
camera anteriore e l’esterno, anche lo stelo dovrà essere lappato. 
 
 
 
 
Figura 1.1 – 1)Corpo; 2)Stelo; 3)Testata anteriore; 4)Testata posteriore; 5)Pistone. 
 
 
  
 
1 2 3 4 5 
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Testata posteriore 
Costituita da un disco metallico in alluminio, ghisa o acciaio (anche 
materia plastica opportunamente sagomata e lavorata, rigidamente 
collegata al corpo del cilindro. 
 
Testata anteriore 
Analoga a quella posteriore, ma con un foro centrale in cui viene inserita 
una bronzina entro la quale corre lo stelo. 
Oltre che da questi elementi principali, un cilindro pneumatico si compone 
di altre parti indispensabili al suo assemblaggio ad alla tenuta 
(es.guarnizioni) 
 
1.1.2 Caratteristiche fisiche 
Si riferiscono alle dimensioni di lavoro del cilindro. 
 
Pressione di alimentazione 
p [ kg /cm2, bar ] 
Come pressione di alimentazione si intende la pressione relativa, cioè 
quella che si ottiene assumendo per la pressione atmosferica il valore 
zero. Come pressione di alimentazione p si intende quindi quella letta sul 
manometro . Ogni qual volta invece sia necessario tener conto della 
pressione assoluta (ottenuta facendo riferimento al vuoto), si usa il 
simbolo pa . Risulta chiaramente: 
pa = p + p0 
avendo indicato con p0 =1 atm = 1,033 kg/cm2 la pressione atmosferica. 
 
Diametro interno o alesaggio D 
E’ il diametro interno del tubo costituente il corpo. Dal valore di D e di p 
dipende la spinta massima F esercitabile dal cilindro . A meno degli attriti 
risulta (esprimendo D in [cm])  
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F = 
4
D 2  p 
 
Corsa totale S (Stroke) 
E’ la distanza fra il punto morto superiore e il punto morto inferiore. 
 
Lavoro ottenibile L 
Dipende da p,D,S ed, a meno degli attriti, è dato da, esprimendo S in [m] 
L = FS = 
4
D 2  p S 
 
1.1.3 Caratteristiche d’impiego 
 
L’applicazione dei cilindri pneumatici ai processi industriali (lavorazioni con 
o senza asportazione di truciolo, montaggio, trasporto, bloccaggio, ecc…) 
trova un limite sia per quanto riguarda la spinta massima ottenibile, sia per 
quanto riguarda l’uniformità della velocità di spostamento. Esaminiamo 
separatamente queste due caratteristiche 
 
Spinta massima 
E’ limitata sia dalla massima pressione fornibile dal compressore sia dal 
diametro massimo del cilindro. Nel caso delle normali esigenze industriali, 
considerazioni di ordine economico-costruttivo fissano in 12-15 kg/cm2 il 
valore massimo della pressione in uscita dal compressore. 
Poiché inoltre per ragioni di ingombro, non si costruiscono cilindri con 
diametro superiore a 250 – 270 mm, si può stabilire un limite ben 
determinato per l’utilizzazione dei cilindri pneumatici dal punto di vista 
della spinta fornibile.  
 
Velocità 
Un altro limite d’impiego dei cilindri pneumatici è rappresentato dalla 
possibilità di ottenere movimenti a velocità uniforme. La comprimibilità 
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dell’aria rende i cilindri pneumatici particolarmente inadatti per quelle 
applicazioni per le quali sia necessario ottenere movimenti uniformi anche 
con carichi variabili. Infatti il cilindro pneumatico tende a rallentare con 
l’aumento del carico e ad accelerare con la sua diminuzione. Non si 
potranno quindi, in particolare, usare cilindri pneumatici per lavorazioni 
che comportino asportazione di truciolo di metalli o in genere di materiali 
molto duri. 
 
 
Tipi di fissaggio 
I cilindri pneumatici vengono in genere costruiti in modo che vi si possono 
applicare gli elementi di ancoraggio che più si adattano alla funzione che il 
cilindro stesso deve svolgere. 
Per quanto riguarda il collegamento dello stelo all’utilizzatore distinguiamo 
i seguenti tipi: 
 
Forcella 
L’utilizzatore viene collegato allo stelo del cilindro tramite un giunto a 
forcella che viene avvitato sulla parte terminale dello stelo (fig. 1.2).  
Questo tipo di fissaggio permette ampi disassamenti fra la direzione del 
moto del cilindro e quella dell’utilizzatore. Tali disassamenti devono essere 
contenuti tutti nello stesso piano 
 
.  
Figura 1.2 – Forcella (PARKER) 
 
 
 
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Filetto 
Lo stelo del cilindro viene direttamente avvitato nell’utilizzatore tramite la 
parte filettata (fig. 1.3). 
 
 
 
Figura 1.3 – Cilindro con stelo filettato (FESTO) 
 
 
E’ il tipo di fissaggio più comune ed è comunque sempre praticato sullo 
stelo perché serve anche come supporto dei successivi tipi di fissaggi. 
 
Giunto sferico 
Come il precedente giunto a forcella, viene avvitato sulla parte terminale 
dello stelo, ma permette dei disassamenti in un qualunque piano dello 
spazio. Tali disassamenti devono essere generalmente contenuti in 4-5 °. 
 
Per quanto riguarda l’ancoraggio del corpo del cilindro distinguiamo i 
seguenti tipi fondamentali: 
 
Vite anteriore 
Una filettatura praticata sulla testata anteriore del cilindro ne permette 
l’avvitamento diretto. E’ consigliabile l’uso di un bloccaggio allo scopo di 
evitare sviamenti causati da vibrazioni o torsioni. Un collegamento 
analogo può essere ottenuto praticando la filettatura sulla testata 
posteriore. 
 
 
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Piedini  
E’ forse il tipo di fissaggio più in uso essendo di applicazione semplice e 
rapida.  
 
 
Figura 1.4 – Piedino (PARKER) 
 
 
E’ indispensabile una buona esecuzione del piano di appoggio che deve 
essere il più possibile parallelo all’asse dello stelo. 
 
Flangia posteriore 
Il fissaggio viene eseguito su un piano perpendicolare allo stelo ed è 
particolarmente adatto nei casi un cui il cilindro deve essere montato 
verticalmente. 
 
Flangia anteriore 
Fissaggio completamente analogo al precedente, ma con flangia applicata 
sulla testata anteriore. 
 
 
Figura 1.5 – Flangia (PARKER) 
 
 
 
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Cerniera posteriore 
E’ indispensabile laddove l’asse dello stelo debba avere inclinazione 
variabile rispetto ad un piano di riferimento. Le direzioni assunte dall’asse 
dello stelo sono tutte contenute nello stesso piano (perpendicolare a 
quello di riferimento). 
 
1.1.4 Cilindri a semplice effetto 
 
Nei cilindri a semplice effetto,  il moto dell’asta in una direzione è affidato 
all’azione di una molla, o , talora, all’azione della gravità. 
Il vantaggio principale dei cilindri a semplice effetto è nell’uso di valvole di 
comando più semplici di quelle necessarie con cilindri a doppio effetto. Gli 
svantaggi sono dati dall’avere una corsa limitata, in quanto non è possibile 
fare molle troppo lunghe, e dal fatto che, essendo il ritorno affidato alla 
molla, è limitata anche la velocità di ritorno. Si ha, infine, la perdita di una 
parte della forza ottenibile dovuta allo schiacciamento della molla. 
 
 
 
Figura 1.6 – Cilindri pneumatici a semplice effetto (SMC) 
 
 
I cilindri a semplice effetto possono essere sia spingenti, in cui l’azione 
dell’aria provoca la fuoriuscita dell’asta,sia traenti, in cui si ha invece il 
rientro dell’asta. 
Questo cilindro è fornito di una sola parte dello stantuffo, in quanto vi è 
una sola camera che va in pressione. 
 
 
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Impiego dei cilindri a semplice effetto 
Sono utilizzabili quando il lavoro deve essere eseguito in un solo senso e 
nei casi in cui la frequenza degli interventi è piuttosto bassa. Si deve infatti 
notare che la velocità impressa dalla molla allo stelo è sensibilmente 
inferiore a quella impressa dall’aria a causa della notevole differenza fra le 
due spinte. Questo tipo di cilindri non sono utilizzabili per corse lunghe 
(>80 – 90 mm) a causa della presenza della molla la cui elasticità 
subirebbe una notevole diminuzione dopo un periodo di funzionamento 
relativamente breve. I cilindri a semplice effetto sono particolarmente 
adatti per operazioni di punzonatura, rivettatura e bloccaggio. 
 
 
1.1.5 Cilindri a doppio effetto 
 
I cilindri a doppio effetto sono più usati dei precedenti in quanto il 
funzionamento non è limitato da alcun vincolo e possono lavorare in 
ambedue le corse di andata e ritorno. I cilindri a doppio effetto sono 
raccomandati,in ogni caso, per grossi diametri e corse lunghe. 
 
 
 
Figura 1.7 – Cilindri pneumatici a doppio effetto (PARKER) 
 
L’immissione e lo scarico dell’aria avviene attraverso due ingressi filettati; 
naturalmente, quando uno di questi condotti è in comunicazione con l’aria 
in pressione, l’altro dev’essere mandato allo scarico.  
 
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Impiego dei cilindri a doppio effetto 
Utilizzabili per eseguire lavori bidirezionali e per frequenza di interventi 
elevati. Questo tipo di cilindri può essere costruito anche per corse molto 
lunghe (2,5 – 3 m) che trovano una limitazione solo per le considerazioni 
sul dimensionamento dello stelo.  
La possibilità d’uso dei cilindri a doppio effetto sono molto più vaste di 
quelle del cilindro a semplice effetto. 
Manipolazione dei pezzi, trasporto, curvature, inserimento forzato, 
saldatura, pinzatura ecc… sono operazioni che possono essere 
ottimamente eseguite con questo tipo di cilindri. 
 
 
1.1.6 Scelta di un cilindro e determinazione delle 
prestazioni 
 
La scelta di un cilindro occorrente a una determinata applicazione viene 
fatta in base alle prestazioni che deve dare: forza, corsa, tipo di 
movimento, vincoli e ingombri da rispettare, velocità. Il primo dato che 
dev’essere fissato è l’alesaggio del cilindro che dipende direttamente dalla 
forza occorrente. La spinta che un cilindro può esercitare dipende 
dall’area del cilindro stesso e dalla differenza di pressione esistente tra le 
due camere. Occorre poi ricordare che vi sono delle resistenze di attrito, 
sempre presenti, che riducono la spinta ottenibile. In definitiva la spinta F, 
in un cilindro a doppio effetto, che si muove a velocità costante, è data da: 
 
F = p1S1 – p2S2 - FR 
 
dove p1 è la pressione nella camera che viene alimentata, p2 è la pressione 
nella camera che si svuota, S1 e S2 sono le rispettive superfici in cui 
agiscono queste pressioni e FR è la forza dovuta alle resistenze di attrito 
presenti sulle guarnizioni dello stantuffo e dell’asta. Nella formula si è