Caratteristiche dei riduttori a gioco zero, particolarmente indicati per applicazioni in cui precisione di posizionamento e ripetibilità sono essenziali, come l’automazione, la robotica, le macchine utensili, il medicale e l’aerospaziale.
I riduttori a gioco zero, anche conosciuti come “zero-backlash” o “backlash-free”, sono un tipo di riduttore di velocità utilizzato in diversi settori industriali, tra cui l’automazione, la macchina utensile, il
medicale, l’aerospaziale, la robotica e la difesa.
Il termine “gioco zero” si riferisce alla caratteristica dei riduttori di avere un movimento privo di gioco, tale da garantire un’elevata precisione nel trasferimento della posizione angolare tra ingresso e uscita, anche in caso di spostamenti bidirezionali, cioè di inversioni del moto. Di conseguenza l’errore di trasmissione, inteso come differenza, dipende solo dalla rigidezza torsionale del sistema. Ciò rende questi riduttori particolarmente indicati per applicazioni in cui la precisione di posizionamento e la ripetibilità sono essenziali.
Inoltre, i riduttori a gioco zero sono spesso più compatti e leggeri rispetto ad altri tipi di riduttori di velocità, il che li rende adatti per applicazioni in cui lo spazio è limitato o il minor peso è un fattore importante. L’assenza di gioco consente inoltre di ridurre il rumore e le vibrazioni, il che, oltre a migliorare la qualità delle prestazioni, può aumentare sia la durata dei componenti sia l’affidabilità del sistema.
Tuttavia, ci sono anche alcune sfide associate all’uso dei riduttori a gioco zero. Per esempio, la precisione richiesta nella loro costruzione può renderli più costosi rispetto ad altri tipi di riduttori di velocità. Inoltre, la loro compattezza può rendere più difficili eventuali interventi di manutenzione o riparazione, poiché può essere necessaria la rimozione di diversi altri componenti circostanti.
Esistono diverse tipologie di riduttori a gioco zero, ognuna tale da poter soddisfare esigenze specifiche in termini di coppia, velocità, dimensioni, pesi e utilizzo. In genere, sono costituiti da un insieme di ingranaggi o in generale componenti di trasmissione del moto, di diverse forme e con principi di funzionamento diversi tra loro. Tolleranze di lavorazione della dentatura estremamente basse, accoppiamenti meccanici che eliminano qualsiasi spostamento relativo indesiderato tra le parti, l’utilizzo di materiali di alta qualità e, in generale, lavorazioni di precisione caratterizzano la produzione di questi riduttori.
In particolare, in questo articolo, focalizziamo la nostra attenzione su due tipologie di riduttori a gioco zero che, per le loro caratteristiche, consentono di avere elevati rapporti di riduzione e coppie trasmissibili con ingombri ridotti: i riduttori armonici (Harmonic Drive o strain wave gears) e i riduttori cicloidali.
Riduttori armonici
Il funzionamento di un riduttore armonico si basa sull’elasticità meccanica dei metalli e consente di ottenere alti rapporti di trasmissione ed elevata precisione e una costruzione estremamente compatta e leggera.
I componenti principali sono tre: uno speciale cuscinetto a sfere sottile e deformabile montato su un mozzo ellittico, detto “Wave Generator”, una coppa cilindrica sottile e dentata all’esterno della sua estremità aperta, detta “Flexspline”, deformabile radialmente ma torsionalmente rigida e un anello rigido dentato internamente, detto “Circular Spline” (Figura 1).
Nel funzionamento più comune, il Wave Generator è utilizzato come ingresso veloce, collegando il mozzo a un motore o, comunque, alla sorgente di moto; il Circular Spline è fisso mentre il Flexspline è al carico.
Ognuno dei tre componenti (CS, FS e WG) può essere utilizzato come ingresso o come uscita e, a seconda della configurazione, si ottengono differenti rapporti di riduzione e direzione di rotazione relativa tra ingresso e uscita. Concentricità e perpendicolarità dei tre componenti sono fondamentali per il corretto funzionamento del riduttore.
Inserendo il WG all’interno del FS, essendo l’asse maggiore della sua forma ellittica leggermente più grande del diametro interno del FS, quest’ultimo si deforma ellitticamente cosicché i denti possono ingranare con quelli del CS in un settore ai due estremi della diagonale. Mettendo in rotazione la ralla interna al WG, la zona di presa dei denti si sposta con l’asse principale; questa agisce sulla corona flessibile deformando i denti, che ingranando con la corona dentata esterna, si allontanano dalla posizione iniziale, e, a causa della differenza di due denti tra FS e CS, per una rotazione di 360° del WG il FS rimane indietro di due denti rispetto al CS. Il FS ruota così in senso opposto al WG (Figura 2).
Nel caso di WG usato come ingresso, FS come uscita e CS fisso, il rapporto di trasmissione si calcola come rapporto fra il numero di denti del FS diviso la differenza fra il numero di denti tra FS e CS.
Poiché durante il funzionamento la trasmissione di potenza avviene con un numero molteplice di denti in presa, anche con moduli molto piccoli dell’ordine di grandezza dei decimi di millimetro, è possibile trasmettere coppie relativamente elevate. I riduttori armonici, grazie all’effetto di precarico generato dalla deformazione elastica, hanno gioco zero in uscita e garantiscono grandi precisioni e ripetibilità di posizionamento. Alti rapporti di riduzione, elevata capacità di coppia e una lunga durata sono altre peculiarità. Inoltre, grazie anche al modo in cui i denti ingranano tra loro, i rendimenti superano anche l’85% e rumore e vibrazioni sono inferiori rispetto ad altri tipi di riduttori.
I rapporti di riduzione, in un singolo stadio, sono tipicamente compresi tra 30:1 e 160:1 ma possono arrivare fino a 320:1. Con ingombri minimi le coppie sono elevate e possono variare da pochi Nm a centinaia di Nm. Le velocità massime in ingresso tipicamente sono comprese tra i 2500 e i 6.000 rpm ma, in alcuni casi, nei riduttori più piccoli, possono arrivare e superare i 10.000 rpm.
Il riduttore armonico viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, tra cui robotica industriale, collaborativa o umanoide, automazione industriale, macchine utensili, macchine di misura e attrezzature per la produzione di semiconduttori. Già utilizzati sin dalla missione esplorativa Apollo 15, pesi minimi e grande affidabilità rendono i riduttori armonici ideali gli impieghi nel settore aerospaziale. I riduttori armonici trovano poi frequente adozione nelle moderne tecnologie medicali, sia in ambito chirurgico che diagnostico o per la realizzazione di esoscheletri per la riabilitazione. Altri campi di utilizzo riguardano gli “ambienti speciali”, come le applicazioni militari, sottomarine e offshore, vuoto, criogenia e sistemi a guida o comando remoti (UGV, UAV, RWS, droni…).
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