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Motori per la robotica: è davvero necessario scendere a compromessi?

01 Apr 2022
Esperti di Kollmorgen

Compromesso 1: Densità di coppia e dimensioni 

Il calcolo dei requisiti di coppia per giunti robotici mette di fronte al primo compromesso: come incrementare la coppia in un motore robotico senza aumentarne le dimensioni? 

Nei motori frameless utilizzati nei giunti robotici, la coppia aumenta proporzionalmente all'aumento della lunghezza del motore o al quadrato della maggiorazione del diametro. In altre parole, raddoppiando il diametro si ha un incremento di quattro volte della coppia, la cosiddetta regola D2L. Per ottenere la coppia necessaria per spostare e mantenere carichi consistenti, l'approccio più comune prevede l'impiego di robot di diametro maggiore e non con lunghezza maggiore, che renderebbe il giunto troppo grande e difficile da integrare nel design complessivo. 

Tuttavia, un motore con diametro maggiore può anche comportare alcuni vincoli. Occorrono valori nominali di coppia e velocità che si adattino perfettamente agli ingranaggi armonici (detti anche a onda di deformazione) di norma utilizzati per mantenere compatti i giunti robotici ed eliminare il gioco. Questi ingranaggi sono però disponibili solo in una gamma limitata di design convenzionali. Un motore standard funzionerà in un giunto robotico ottimizzato a livello di dimensioni, peso e prestazioni? O servirà invece un ciclo di sviluppo più lungo e costoso che porta unicamente a compromessi sulle prestazioni? 

Compromesso 2: Velocità e coppia 

Oltre a dimensioni compatte e prestazioni in assenza di gioco, i sistemi con ingranaggi armonici erogano di per sé rapporti di trasmissione relativamente elevati che vanno di regola da una riduzione di 30:1 a 320:1. L'elevato rapporto di trasmissione di un sistema con ingranaggi armonici è vantaggioso per l'accelerazione/decelerazione uniforme di elevati carichi inerziali e l'esatto posizionamento degli stessi, ma a scapito della velocità. 

Nei processi industriali, la velocità è un vantaggio evidente, tanto che uno degli obiettivi dei tecnici in ambito robotico è lo spostamento sia preciso che rapido dei carichi. In un giunto robotico dotato di ingranaggi armonici, questo obiettivo si traduce nell'impiego di un motore in grado di erogare un'elevata velocità in ingresso, nell'ordine di 4.000 giri/min o più. Il problema in questo caso è che la maggior parte dei motori frameless perde rapidamente coppia man mano che si avvicina al limite superiore dell'intervallo di velocità nominale. 

Quando è importante mantenere una coppia adeguata per l'intera gamma di velocità richiesta per l'applicazione, il compromesso è di nuovo tra prestazioni e dimensioni. Scegli un motore sovradimensionato per il carico quando opera a velocità medio-basse per mantenere la coppia necessaria al limite superiore dell'intervallo? Se sì, sei disposto a progettare giunti più grandi rispetto alle dimensioni ideali? Ti occorreranno motori o ingranaggi personalizzati? Quante modifiche occorreranno a livello di progettazione per ottenere velocità adeguate combinate con prestazioni di coppia uniformi?  

Compromesso 3: Temperatura e prestazioni 

Come abbiamo visto, i motori per la robotica hanno bisogno di livelli sufficienti di coppia e velocità. I due fattori combinati definiscono le prestazioni di movimento globali del motore. E queste prestazioni dipendono dall'efficienza elettromagnetica della macchina. Tutti i motori perdono un po' di energia elettromagnetica sotto forma di calore dissipato dagli avvolgimenti. Con una corrente data, un motore più efficiente eroga più prestazioni e gira a temperature inferiori, mentre uno meno efficiente eroga meno prestazioni e gira a temperature superiori. 

Con coppia e velocità elevate il motore assorbe più corrente e le temperature aumentano. Ci sono però altri aspetti da considerare quando un motore è montato in prossimità di un giunto robotico. La maggior parte dei motori in ambito robotico ha temperature massime degli avvolgimenti tra 125 e 155 °C (temperatura ambiente + aumento di temperatura). In un'applicazione con robot collaborativi, temperature così elevate potrebbero rappresentare un pericolo per la sicurezza delle persone, e di norma questi motori sono depotenziati di conseguenza. 

Oltre alla sicurezza vi è tuttavia un altro problema non compreso così bene. Temperature degli avvolgimenti di molto inferiori a 125 °C sono comunque sufficientemente elevate da rappresentare un rischio per ingranaggi e altri componenti. Quando la temperatura degli avvolgimenti supera gli 85 °C, i lubrificanti possono degradarsi provocando l'usura anticipata degli ingranaggi ed impedendo eventualmente il mantenimento della tolleranza di posizione. I componenti elettronici quali encoder e altri dispositivi di retroazione possono perdere affidabilità e guastarsi rapidamente. I componenti dipendono l'uno dall'altro e quando uno si guasta per eccesso di calore, il robot diventa inutilizzabile. 

Quindi la domanda è: depotenzi il motore e rallenti l'intero impianto del cliente? O ti aspetti che il cliente continui a sostenere i costi e i tempi di inattività legati alla sostituzione di giunti robotici guasti? 

Sotto molti aspetti questo è il compromesso principale. Si possono evitare temperature distruttive incrementando le prestazioni del motore o depotenziandolo. Ma dimensioni, coppia o velocità devono davvero essere coinvolte? Non c'è una soluzione migliore? 

Di' di no ai compromessi 

Abbiamo descritto la situazione corrente del settore dei motori per robot. Ma il futuro è ormai alle porte. 

Dopo anni di ricerca e sviluppo, Kollmorgen ha creato una nuova generazione di motori frameless specifici per il settore della robotica, progettati per spazzare via qualsiasi tipo di compromesso. Siamo fieri di presentare la serie TBM™2G

  • I motori TBM2G sono disponibili in misure standard ottimizzate per abbinarsi a ingranaggi armonici convenzionali, riducendo al minimo le dimensioni dei giunti ed evitando la necessità di costose personalizzazioni. 
  • In un pacchetto elettromagnetico estremamente corto e leggero, i motori TBM2G sono ottimizzati per soddisfare i requisiti di coppia e velocità di robot collaborativi nella categoria 3-15 kg. 
  • Caratterizzati da lunghezza assiale eccezionalmente ridotta, diametro esterno minimo e ampio foro passante, i motori TBM2G semplificano la progettazione di sofisticati robot di nuova generazione. 
  • Materiali avanzati e un processo di avvolgimento innovativo garantiscono prestazioni uniformi in un'ampia gamma di requisiti di velocità e di carico. 
  • Sensori a effetto Hall integrati facoltativamente permettono una retroazione di commutazione senza incrementare la lunghezza complessiva del motore. 
  • Svariate opzioni standard per sensori termici cooperano con gli azionamenti più diffusi nel settore della robotica. 
  • Progettati per assicurare prestazioni eccellenti senza superare 85 °C di temperatura degli avvolgimenti, i motori TBM2G prolungano al massimo la durata di lubrificanti, componenti elettronici e di altro tipo dei giunti robotici. 

Un altro compromesso eliminato 

In teoria avresti potuto affrontare i tre compromessi adottandone uno più grande: pagare lo sviluppo, la prototipizzazione e la produzione di un design personalizzato per motore o ingranaggi. Ma tutto questo non serve con la serie TBM2G. 

Kollmorgen dispone di processi produttivi ad elevata automazione per la realizzazione di questi motori di nuova generazione con la massima qualità e in qualsiasi quantità. Ed ecco per te un ingresso sul mercato in tutta sicurezza. Come amiamo dire, i motori TBM2G sono pienamente "pensati per i robot". 

Ti interessa? Ci piacerebbe approfondire il discorso. Parla con un tecnico Kollmorgen per scoprire tutto sulla serie TBM2G, progettata per robot migliori che potrebbero aiutarti a realizzare progetti migliori. 

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Questo blog è il risultato della collaborazione di un team di esperti di motion & automation in Kollmorgen, tra cui ingegneri, addetti al servizio clienti ed esperti di progettazione. In qualsiasi fase del vostro progetto vi troviate, noi siamo qui per aiutarvi.

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