Giunti per i sistemi di visione artificiale e controllo ottico: componenti di alta precisione per applicazioni plurivalenti ad elevata tecnologia
I sistemi di visione artificiale e controllo ottico sono applicazioni plurivalenti ad elevata tecnologia il cui funzionamento richiede componenti di alta precisione. I sistemi di visione artificiale possono essere impiegati in svariate attività in cui la presenza dell’operatore viene sostituita dall’occhio di una telecamera. Le applicazioni possibili sono innumerevoli e non esistono due sistemi uguali, ma i sistemi di visione artificiale presentano almeno due caratteristiche comuni: il movimento e la precisione.
I progettisti dei sistemi di visione artificiale devono affidarsi alla scelta di componenti che rispondano alle elevate esigenze della propria applicazione. Tra questi spiccano per rilevanza i giunti senza gioco, la cui scelta può spaziare tra diverse linee. Spetta all’utilizzatore scegliere il giunto più adatto al sistema in base alle caratteristiche della propria applicazione. La scelta del giunto è accompagnata dalla valutazione dei suoi pro e contro, poiché ogni tipo di giunto presenta punti di forza e punti deboli.
Di norma i sistemi di visione artificiale operano secondo una di due modalità di movimento principali. Un primo tipo è rappresentato dal sistema di movimento discontinuo, in cui la telecamera si porta rapidamente su un punto, scatta l’immagine per poi spostarsi velocemente su un altro punto e scattare nuovamente. Caratteristica di questo tipo di sistema è la presenza di vibrazioni dovute ad avvii ed arresti continui, quindi sono necessari componenti, come i giunti, che ammortizzino le vibrazioni per ridurre i tempi di riassestamento e migliorare la produttività.
Un secondo tipo di sistemi funziona con una modalità di scansione continua. A differenza dei primi, che richiedono solo precisione all’arresto, questi sistemi devono mantenere una certa accuratezza durante la scansione. Tale esigenza richiede l’impiego di giunti con un’elevata rigidità torsionale. Nei sistemi a scansione di questo tipo, le vibrazioni non rappresentano un problema.
Oltre all’attenuazione delle vibrazioni e alla rigidità torsionale, un altro importante criterio di selezione dei giunti per i sistemi di visione artificiale sono aspetti come disallineamento, inerzia, velocità e coppia. Velocità e coppia sono concetti fisici piuttosto semplici da comprendere, non così il disallineamento e l’inerzia. Sono infatti tre i tipi di disallineamento da tenere in considerazione, ossia movimento parallelo, angolare e assiale, e in un’applicazione ne sono spesso presenti più di uno. Un giunto che non è in grado di adattarsi al tipo e all’entità del disallineamento presente in un sistema è destinato a cedere. A seconda del giunto utilizzato, il disallineamento può anche produrre elevati carichi sui cuscinetti che possono portare a guasti prematuri.
L’inerzia è la capacità del giunto di operare a velocità costante, tranne quando è sottoposto ad altre forze. In altri termini, l’inerzia è la quantità di forza richiesta nel sistema per avviare il giunto dalla posizione di riposo o per arrestarlo durante il movimento. Per semplificare ulteriormente, l’inerzia si riferisce alla massa del giunto. Nel caso dei sistemi a movimento discontinuo, è quindi raccomandabile impiegare un giunto con una bassa inerzia per preservare l’energia del sistema e produrre un’usura inferiore sui componenti. L’inerzia non rappresenta un problema per quei sistemi che operano in movimento continuo.
Nel presente articolo illustreremo sei diversi tipi di giunti. Esamineremo vantaggi e svantaggi funzionali di ciascuno in relazione alle applicazioni di visione artificiale. Tutti i giunti esaminati sono privi di gioco poiché è questa una qualità cruciale in termini di precisione per i sistemi di visione artificiale e controllo ottico. Il gioco zero garantisce la totale assenza di spazio tra i componenti del giunto. Pertanto, se un albero ruota a 90 gradi, un giunto privo di gioco garantisce che la rotazione dell’altro albero sia anch’essa di 90 gradi.
1. Giunti a fasci
I giunti a fasci presentano sul corpo del giunto tagli continui elicoidali che trasmettono la coppia e compensano il disallineamento. Sono un’ottima scelta per i sistemi di visione artificiale operanti a velocità moderate (max. 6000 giri/min), offrono un certo disallineamento e non richiedono rigidità torsionale per le applicazioni di scansione.
I giunti a fasci sono disponibili in due varianti: un tipo con un solo taglio continuo lungo, l’altro con più fasci in cui si trovano uno o due gruppi di tagli più corti sovrapposti tra loro. Normalmente, un giunto provvisto di un numero inferiore di tagli lunghi continui offre più flessibilità rispetto ai giunti caratterizzati da un numero maggiore di tagli corti. Una flessibilità maggiore si traduce in carichi ridotti sui cuscinetti nei movimenti angolare e assiale. D’altro canto, avvalendosi di più fasci, il giunto è in grado di adeguarsi al disassamento parallelo.
I giunti a fasci sono soggetti a una quantità di carico consistente durante la trasmissione della coppia, sono quindi meno rigidi nella torsione rispetto ad altri tipi di giunti. Tuttavia, questa caratteristica potrebbe essere ideale per applicazioni a movimento discontinuo in cui si richiedano assorbimento delle vibrazioni e tempi di riassestamento ridotti. La rigidità torsionale di un giunto a fasci può essere migliorata scegliendo un giunto a più fasci oppure in acciaio inossidabile anziché del più comune alluminio. Nel caso dei giunti in acciaio inox, la pesantezza del materiale rende nullo il vantaggio dell’alluminio di avere una bassa inerzia e comporta un consistente aumento dei costi. È quindi consigliabile approdare ad una soluzione diversa che preveda un giunto con maggiore rigidità torsionale.
2. Giunti rigidi
I giunti rigidi sono, come si evince dal nome, rigidi. Possono essere prodotti in materiali diversi e sono disponibili in una molteplicità di modelli. I giunti a morsetto, in contrapposizione ai giunti con grano di fissaggio, sono probabilmente più adatti ai sistemi di visione artificiale. Assicurano una potenza di tenuta più elevata esercitando la forza di morsa sull’albero, mentre i giunti con grano di fissaggio possono contare esclusivamente sulla forza delle viti. I giunti rigidi a morsetto non hanno bisogno di manutenzione, offrono una presa più serrata e non danneggiano gli alberi.
I giunti rigidi presentano la rigidità torsionale nominale più elevata, che li rende la soluzione ideale nelle applicazioni di scansione. Sopportano velocità di rotazione relativamente alte e le versioni in alluminio offrono una bassa inerzia. Di contrasto, non sono in grado di compensare il disallineamento e non assorbono le vibrazioni, il che può rappresentare un problema nei sistemi a movimento discontinuo. Presentano carichi sui cuscinetti tra i più elevati di tutti i giunti e occorre prestare maggiore attenzione per fare in modo che gli alberi del sistema siano allineati perfettamente. Anche la dilatazione termica a velocità molto elevate è un elemento da tenere sotto controllo poiché i giunti rigidi non sono in grado di adeguarsi alle sollecitazioni risultanti, producendo sui cuscinetti un effetto pari a quello del disallineamento.
Se gli alberi del sistema sono allineati perfettamente e non si produce dilatazione termica, i giunti rigidi sono un’opzione valida per le applicazioni di scansione. Assicurano un eccellente momento torcente, sono tra i giunti con maggiore rigidità torsionale sul mercato e non richiedono manutenzione.
3. Giunti elastici con assenza di gioco
I giunti elastici a profilo incurvato e privi di gioco sono una variante dei giunti elastici standard. I giunti con struttura a profilo retto presentano un gioco intrinseco e non sono adatti ai sistemi di visione artificiale.
Il giunto elastico a profilo incurvato si compone di tre parti (due mozzi in alluminio e un inserto elastico definito “stella”), che premono una contro l’altra per eliminare totalmente il gioco. La struttura delle ganasce del mozzo permette di ridurre le deformazioni che la stella può subire durante il normale funzionamento.
Se i giunti elastici a profilo incurvato sono in grado di funzionare ad elevate velocità al minuto, la loro forza risiede nell’elemento a stella. Il materiale elastico assorbe le vibrazioni e rende questo giunto la scelta di elezione per i sistemi a movimento discontinuo in cui si richieda la presenza di un componente ammortizzante. Inoltre, la stella è disponibile in gradi diversi di durezza. Quanto più rigido è l’inserto, tanto superiore sarà la rigidità torsionale del giunto, a scapito però del suo potere di ammortizzamento.
I giunti elastici non assicurano una rigidità torsionale sufficiente da essere utilizzati in un sistema di scansione, pur scegliendo l’inserto elastico più rigido. Gli utilizzatori che hanno esigenze di elevate tolleranze di disallineamento devono ricorrere a un altro tipo di giunto poiché questo produce carichi sui cuscinetti troppo alti. Occorre aggiungere che i giunti elastici sono a prova di guasto, quindi le ganasce dei mozzi si serrano e continuano a trasmettere la coppia anche quando la stella si rompe. Tale peculiarità può essere consigliabile o meno, a seconda del sistema in uso.
I giunti elastici a profilo incurvato garantiscono un ammortizzamento superiore e l’opportunità di intercambiare inserti a stella e mozzi a seconda delle esigenze applicative. L’inerzia dei giunti elastici è relativamente alta se confrontata con quella di altri giunti per il controllo del moto (pari a quella dei giunti rigidi in alluminio), ma questa caratteristica viene compensata dalle qualità di ammortizzamento della stella. Il design equilibrato del giunto gli consente di essere operativo ad un elevato indice di rotazione al minuto senza produrre vibrazioni. Ciononostante, se il disallineamento è rilevante e la rigidità è un elemento fondamentale durante il movimento, è consigliabile optare per un giunto di tipo diverso.
4. Giunti Oldham
Come i giunti elastici, i giunti Oldham si compongono di tre parti, due mozzi in alluminio e un inserto,innestati uno sull’altro. Tuttavia, questi giunti presentano alcuni chiari vantaggi. Innanzitutto, hanno la capacità di adeguarsi a forti disallineamenti paralleli poiché il disco centrale è pensato per scorrere sulle spine di accoppiamento dei mozzi. Questa assenza di resistenza (gli altri giunti dispongono di una resistenza a molla) produce carichi ridotti e stabili sui cuscinetti. Il secondo vantaggio è costituito dalla possibilità di intercambiare il disco centrale. Normalmente si utilizzano due tipi di materiali, ossia resina acetalica per assicurare rigidità torsionale e nylon per garantire l’ammortizzamento, proprio come nei giunti elastici. I giunti Oldham, inoltre, presentano la peculiarità di agire come un fusibile meccanico. Le spine di accoppiamento dei mozzi non si innestano se il disco centrale si rompe e si verifica l’interruzione della trasmissione di coppia. I mozzi in alluminio dei giunti Oldham permettono di mantenere bassa l’inerzia.
Perfetti per compensare il disallineamento parallelo, i giunti Oldham possono gestire una minima entità di disallineamento angolare e assiale. Un disallineamento angolare molto intenso farebbe perdere al giunto la sua caratteristica costanza di velocità, tanto che si staccherebbe letteralmente in presenza di un movimento assiale troppo accentuato. Il materiale di nylon è preferibile per l’ammortizzamento delle vibrazioni, grazie allo scivolamento dei mozzi e alla morbidezza del nylon utilizzato, ma sempre per queste caratteristiche il giunto non è sufficientemente serrato da garantire un gioco zero. La velocità dei giunti Oldham è anch’essa piuttosto limitata, pari a circa 4500 giri/min. Inoltre, lo scorrimento prolungato dei tenoni dei mozzi provoca l’usura dell’inserto, che deve essere sostituito.
La possibilità di scegliere il materiale del disco centrale per assicurare rigidità torsionale o ammortizzamento fanno dei giunti Oldham un’opzione versatile per i sistemi di visione artificiale. Poiché il rapporto tra tempi di riassestamento e rigidità torsionale è attenuato da questa opzione, i fattori restanti sono velocità e compensazione del disallineamento. Per applicazioni in cui la velocità massima è 4500 giri/min, con presenza di elevato disallineamento parallelo e requisiti di movimento angolare e assiale ridotti, i giunti Oldham sono adatti ad un funzionamento discontinuo così come a sistemi di scansione che richiedono rigidità.
5. Giunti a disco
I giunti a disco si compongono di due mozzi uniti da un disco centrale metallico flessibile oppure da due mozzi e un inserto centrale unito da due dischi metallici. I giunti a doppio disco sono idonei per applicazioni con disallineamento parallelo e angolare poiché i due dischi possono piegarsi in direzioni diverse. I giunti a disco singolo sono adeguati solo per il disallineamento angolare.
Entrambe le varianti offrono una buona rigidità torsionale. I dischi sono flessibili e permettono un ampio disallineamento, in particolare la configurazione a doppio disco. Di entità ridotta sono anche i carichi sui cuscinetti e l’inerzia. Inoltre, i giunti a disco possono sopportare fino a 10.000 giri/min, con bassa inerzia, grazie ai materiali leggeri utilizzati.
A causa della rigidità torsionale, i giunti a disco sono più adatti ad applicazioni in cui sono fondamentali precisione e forza; non è invece consigliabile quando si richiede un certo ammortizzamento. I giunti a disco sono quindi adatti per applicazioni di scansione, non per sistemi ottici con movimenti discontinui. Se, da un lato, la maggiore precisione e rigidità torsionale sono garantite dal giunto rigido, dall’altro il giunto a disco consente il disallineamento degli alberi pur conservando una coppia elevata. L’unico svantaggio del giunto a disco sta nella sua delicatezza e nel fatto che può danneggiarsi facilmente se montato in modo errato. Se, però, viene montato correttamente, il giunto a disco offre qualità eccezionali in applicazioni con rigidità torsionale e disallineamento.
6. Giunti a soffietto
I giunti a soffietto sono costituiti da due mozzi in alluminio collegati, per saldatura o con adesivo, a un soffietto metallico. I materiali più comunemente utilizzati per il soffietto sono nickel e acciaio inossidabile. Normalmente il soffietto ha una parete sottile, tale da migliorare reazione e precisione. La flessibilità del soffietto lo rende adatto a tutti i tipi di disallineamento e i carichi sui cuscinetti sono bassi e costanti su tutti i punti di rotazione. Grazie ai mozzi di alluminio, i giunti a soffietto presentano valori nominali di inerzia molto bassi, il che fa risparmiare al sistema una forza eccessiva e offre una reattività superiore.
Tutte queste caratteristiche non compromettono la rigidità torsionale del giunto, che risulta essere perfino superiore a quella dei giunti a disco. La velocità di rotazione è pari a quella dei giunti a disco, ovvero circa 10.000 giri/min. I giunti a soffietto sono una soluzione ottimale per i sistemi di visione artificiale in cui sia richiesta precisione, benché l’ammortizzamento delle vibrazioni sia praticamente inesistente. Possono funzionare ad alte velocità, offrono un’eccellente rigidità torsionale, pur mantenendo intatte le proprie tolleranze di disallineamento.
Conclusione
I sistemi di visione artificiale funzionano con gli stessi livelli di qualità degli elementi che li compongono. In questo caso, la somma delle diverse parti è superiore a quella del giunto in sé. Ogni tipo di giunto illustrato ha punti di forza e punti deboli che lo rendono adatto ad applicazioni e sistemi diversi. Tuttavia, uno stesso giunto non può essere impiegato in tutte le situazioni. Sulla base di questo fondamento i giunti a gioco zero dovrebbero essere utilizzati nel corso delle prime fasi di sviluppo di un sistema. Se le caratteristiche prestazionali del giunto rispondono agli obiettivi operativi del sistema, l’utilizzatore avrà la garanzia di prestazioni e longevità del sistema ai massimi livelli.
Informazioni su Ruland
Ruland Manufacturing Co., Inc. è stata fondata nel 1937 e produce collari per albero e di regolazione nonché giunti di accoppiamento. L’azienda distribuisce un’ampia gamma di componenti meccanici tra i quali anche giunti cardanici, sistemi di montaggio modulari ed accessori di montaggio. All’indirizzo www.ruland.com si trovano file CAD in formato 3D, specifiche complete dei prodotti ed ulteriori informazioni tecniche. I prodotti giunti di Ruland sono disponibili in Italia grazie alla distribuzione da parte di Getecno S.r.l
Il primo semestre del 2020 è stato caratterizzato da un andamento negativo per molti settori industriali a causa dell’emergenza sanitaria. Come avete affrontato questo difficile contesto? Confermo, anche per Getecno, una sensibile riduzione della domanda di mercato nei mesi da febbraio ad aprile, un po’ più marcata dall’Italia, rispetto alle nostre vendite all’estero. È difficile distinguere tra quanto sia effettivamente collegato all’emergenza sanitaria, sia per congiuntura o per le difficoltà operative; in ogni caso avevamo previsto, già nel 2019, una congiuntura generale meno favorevole nel 2020 rispetto al buon andamento dell’anno precedente.
Quali sono le vostre previsioni e le principali criticità che state affrontando?
Dal mese di maggio in poi abbiamo osservato una certa ripresa, ma non tale da compensare del tutto l’andamento non positivo della prima parte dell’anno 2020 rispetto allo stesso periodo 2019. Getecno opera in una varietà di nicchie industriali e ciò ci ha aiutato a compensare, nel complesso, picchi particolari.
Secondo la vostra prospettiva in quali ambiti ci saranno maggiori possibilità di rilancio?
Se osserviamo una certa ripresa complessiva, possiamo pensare che questo sia il risultato di una continua attività di acquisizione di nuovi clienti. La nostra capacità di fornire supporto tecnico e soprattutto di garantire continuità nelle forniture di prodotti di gamma alta non è stata compromessa: il nostro impegno a reagire prontamente è stato ben recepito dal nostro target e apprezzato dai nostri partner di produzione. Inoltre, il nostro business non dipende da un settore o un’area specifica e stiamo incrementando le collaborazioni con clienti in Germania, paesi nordici e dell’Europa e dell’area asiatica, Cina compresa.
La pandemia ha cambiato il vostro modo di interagire con i clienti?
I nostri clienti apprezzano varietà e qualità delle nostre linee di prodotti, integrati da una capacità di servizio rapido ed efficiente che non abbiamo mai fatto mancare. Per la tipologia della nostra offerta, per le aspettative dei nostri clienti (qualche migliaio in oltre 40 paesi, con forniture molto frazionate, ma spesso critiche per completare macchine e impianti) non abbiamo avuto necessità di stravolgere le modalità del nostro operare, ma solo di ottimizzarle.
Verso quali priorità pensate di indirizzare i vostri investimenti?
Stiamo ancora rinforzando la nostra organizzazione interna, per migliorare la pianificazione con i partner di produzione e per disporre di scorte abbondanti e rispondenti alla domanda. Efficientamento delle procedure commerciali e della comunicazione sono sostenuti da investimenti nel settore IT, sia per ottimizzare la nostra capacità di reazione nella situazione attuale, sia per trovarci pronti e ben organizzati per quando (… e non facciamo previsioni di quando..) l’emergenza attuale sarà superata.
Pic 7: Giunti a disco
Pic 8: Giunti a soffietto
