La domanda di robotica ad alta precisione nei settori manifatturiero, della movimentazione dei materiali, medicale e aerospaziale è in costante crescita. Dai robot chirurgici che eseguono incisioni delicate, ai bracci industriali che saldano telai sulle linee di assemblaggio, il margine di errore è praticamente nullo.
Alla base di queste applicazioni vi è il movimento articolato: un movimento multiasse che riproduce la complessa cinematica del braccio umano, ma con livelli di forza e ripetibilità nettamente superiori. Raggiungere questo livello di articolazione rappresenta una sfida ingegneristica significativa.
Non si tratta semplicemente di calcolare traiettorie dal punto A al punto B. La progettazione degli attuatori per bracci robotici richiede un rigoroso controllo della coppia, una gestione accurata delle dinamiche termiche e la garanzia di una ripetibilità assoluta in presenza di carichi variabili. La vera sfida consiste nel bilanciare simultaneamente tutti questi fattori.
Perché è necessario un approccio a livello di sistema
Le prestazioni di un attuatore raramente dipendono da un singolo componente. Sono invece il risultato di una progettazione a livello di sistema, nella quale densità di potenza del motore, cinematica della trasmissione e gestione termica operano in modo integrato. Le decisioni prese in un determinato livello si ripercuotono su tutti gli altri.
La fisica del movimento articolato rende questa interdipendenza particolarmente evidente. In un braccio robotico multiasse, sono strettamente interconnessi diversi gradi di libertà. I giunti rotativi e, in alcuni casi, anche gli assi lineari devono coordinarsi continuamente per posizionare e orientare l’organo terminale. Anche minime variazioni progettuali possono influenzare l’intero sistema, modificando le esigenze di coppia e velocità lungo la catena cinematica.
Per questo motivo, i giunti robotici richiedono un’elevata densità di coppia, ingombri ridotti ed elevate capacità di accelerazione. Le prestazioni devono rimanere stabili e reattive in un ampio spazio operativo e in diverse condizioni di utilizzo. Queste interdipendenze spiegano anche perché le scelte progettuali relative agli attuatori non possano essere ottimizzate in modo indipendente.
La progettazione richiede invece continue iterazioni. Poiché l’attuatore opera all’interno di un sistema elettromeccanico, ogni decisione influisce sulle prestazioni complessive. Le prestazioni del motore determinano i requisiti del riduttore, che a loro volta influenzano la strategia di gestione termica. Nelle applicazioni di robotica umanoide e collaborativa, anche gli aspetti estetici e di design influenzano sempre più la forma e la configurazione dei giunti, richiedendo un equilibrio tra estetica e prestazioni.
In Regal Rexnord il processo progettuale inizia proprio da questa interconnessione. Per progettare efficacemente un attuatore robotico è necessario sviluppare l'intera catena cinematica come un sistema integrato, anziché ottimizzare i singoli componenti in modo sequenziale.
Individuare la configurazione e l’architettura più adatte
Prima di selezionare il tipo di motore, gli ingegneri devono definire la geometria dello spazio disponibile. Quanto spazio è disponibile all’interno del giunto? Qual è la forma geometrica di tale spazio? L’applicazione richiede un motore lungo e sottile oppure piatto e largo, con diametro esterno maggiore? Il passaggio dei cavi richiede un albero cavo? Questi vincoli dimensionali definiscono l’architettura dell’attuatore prima ancora di qualsiasi altra scelta progettuale.
I giunti robotici impongono severi vincoli di spazio che influenzano la selezione del motore, la configurazione della trasmissione e l’integrazione complessiva del sistema. L’architettura corretta è quella che risolve il problema di motion entro i vincoli di ingombro disponibili.
Architetture rotative con riduttori di precisione
Le architetture rotative dominano il settore dei bracci robotici articolati poiché consentono di ottenere elevate coppie all’interno di giunti dalle dimensioni compatte. I riduttori di precisione permettono la moltiplicazione della coppia, ma introducono compromessi in termini di gioco meccanico, rigidità ed efficienza, che incidono direttamente sulla precisione di posizionamento e sulla risposta del controllo.
Azionamento diretto
L’azionamento diretto viene adottato quando rigidità e rapidità di risposta sono requisiti prioritari. L’eliminazione del riduttore riduce il gioco meccanico e migliora la risposta del controllo, consentendo un’integrazione estremamente compatta dell’attuatore. Il compromesso consiste nel fatto che il motore deve generare direttamente una coppia maggiore, senza beneficiare del vantaggio meccanico offerto dalla riduzione. Ciò aumenta le esigenze in termini di densità di coppia, gestione termica e capacità di funzionamento continuo. Va inoltre ricordato che il termine "azionamento diretto" può riferirsi sia a sistemi completamente privi di riduttore sia a motori frameless integrati direttamente nella struttura del giunto ma comunque accoppiati a un riduttore.
Attuazione lineare
L’attuazione lineare viene impiegata quando è necessario generare un moto traslatorio anziché rotatorio. Ne sono esempi gli assi di sollevamento, i cinematismi interni utilizzati nei meccanismi di estensione delle gambe e i sistemi azionati tramite pulegge impiegati nelle mani umanoidi. Le viti con ricircolo di sfere e meccanismi analoghi offrono elevata forza e rigidità; tuttavia, rapporti meccanici più bassi fanno sì che l'abbinamento dell'inerzia assuma un ruolo ancora più importante nelle prestazioni del sistema.
Integrazione frameless
I motori frameless vengono scelti quando i vincoli di integrazione e di ingombro sono fattori determinanti per la progettazione. L’integrazione diretta del motore nella struttura del giunto aumenta la densità di coppia e riduce le dimensioni complessive eliminando componenti duplicati quali alloggiamenti e giunti di accoppiamento. Questo approccio trasferisce la responsabilità dell’allineamento, della gestione termica e delle tolleranze meccaniche a livello di sistema. Sebbene possa apparire complessa a prima vista, l’integrazione di motori frameless diventa molto più semplice grazie a linee guida di assemblaggio corrette e a raccomandazioni adeguate sulle tolleranze dell’housing. Con l'aumento dei volumi produttivi dei bracci robotici, diventano sempre più essenziali motori frameless capaci non solo di soddisfare la domanda, ma anche di offrire una gamma completa di soluzioni per diverse configurazioni di giunto.
Progettazioni compatte e miniaturizzate
Gli attuatori miniaturizzati vengono impiegati nelle applicazioni in cui peso e spazio sono fortemente limitati, come negli organi terminali e nelle mani robotiche. Queste soluzioni progettuali devono trovare il giusto equilibrio tra dimensioni ridotte, capacità di coppia e dissipazione del calore. Tuttavia, se la gestione termica non viene affrontata con attenzione, le prestazioni in funzionamento continuo possono risultare limitate.
Requisiti di coppia e motion
Nelle applicazioni robotiche, la coppia rappresenta generalmente il principale fattore limitante. È infatti la coppia a determinare la capacità di un giunto di accelerare, decelerare e mantenere la posizione sotto carico. L’inerzia svolge un ruolo complementare, influenzando la fluidità e il profilo del motion. Tuttavia, nella maggior parte dei sistemi robotici dotati di riduttori ad alto rapporto di trasmissione, è la capacità di generare coppia a guidare le decisioni di dimensionamento.
Questa distinzione è importante in funzione dell’applicazione. I robot industriali ad alta velocità, come i bracci di smistamento impiegati su linee di produzione ad elevata cadenza, sono soggetti a significative forze di accelerazione e richiedono un’attenta gestione dell’inerzia oltre a una capacità di coppia adeguata. I sistemi chirurgici o ad alta precisione, al contrario, possono mantenere una posizione per gran parte dell’operazione. In questi casi, la coppia continua di mantenimento e la stabilità di posizionamento nel lungo periodo assumono un’importanza ben maggiore rispetto alla risposta dinamica.
La progettazione per entrambe le tipologie di applicazione richiede un approccio a livello di sistema. L’aumento del carico utile o dello sbraccio incrementa infatti i requisiti di coppia nei giunti più a monte della catena cinematica. I rapporti di trasmissione influenzano sia la rapidità di risposta sia la generazione di calore. Poiché queste relazioni sono strettamente interconnesse, il processo di progettazione richiede continue iterazioni. Disporre di strumenti di calcolo avanzati in grado di considerare simultaneamente tutti i parametri rende questo processo molto più gestibile.
Trasmissione e riduttori di precisione
La progettazione della trasmissione è uno degli aspetti che più influenzano le prestazioni complessive degli attuatori robotici. Un motore di precisione abbinato a una trasmissione non sufficientemente rigida o non correttamente dimensionata può generare oscillazioni all’organo terminale, compromettendo l’accuratezza e la ripetibilità dell’intero sistema. Le prestazioni della catena cinematica dipendono dall’elemento più debole che la compone.
Nei giunti rotativi, la trasmissione deve sopportare elevati carichi dinamici durante le rapide fasi di accelerazione e decelerazione. Per trasmettere la coppia senza introdurre elasticità che compromettano la precisione di posizionamento, sono necessari riduttori ad elevata rigidità. Tolleranze ristrette e adeguate strategie di precarico contribuiscono inoltre a minimizzare il gioco meccanico e a mantenere costante la risposta del sistema di controllo durante l’intero ciclo operativo. Per le applicazioni che richiedono motion lineare, le viti con ricircolo di sfere consentono una conversione efficiente dell’energia rotativa in forza lineare, offrendo al contempo elevata rigidità. La precisione della vite con ricircolo di sfere influisce direttamente sulla fluidità e sull’accuratezza del motion.
La scelta dei materiali per riduttori e componenti delle viti con ricircolo di sfere incide direttamente sulla capacità di sopportare carichi statici e dinamici. Modifiche alla durezza, alla composizione delle leghe e ai rivestimenti superficiali possono migliorare la resistenza agli urti e aumentare la capacità del sistema di sopportare carichi elevati. La selezione di materiali con proprietà termiche compatibili contribuisce inoltre a mantenere i giochi funzionali entro i limiti previsti, evitando che il gioco meccanico aumenti con l’incremento della temperatura di esercizio. Tutto ciò contribuisce a prolungare la vita utile del sistema.
Nel lungo periodo, i vantaggi di queste personalizzazioni risultano ancora più significativi. La corretta scelta dei materiali può prolungare la vita operativa del sistema, un fattore particolarmente importante nelle applicazioni robotiche caratterizzate da cicli di lavoro elevati. Nei progetti a lungo ciclo di vita, Regal Rexnord offre un livello di personalizzazione più approfondito quando le configurazioni standard non sono sufficienti.
Gestione termica e controllo del calore
La generazione di calore rappresenta uno dei principali limiti alle prestazioni in funzionamento continuo di un attuatore. Il calore prodotto dal motore influisce infatti sulla capacità di erogare coppia continua, sulla stabilità meccanica e sull’efficienza complessiva del sistema. Quando i componenti si riscaldano, si espandono. Poiché materiali differenti si espandono a velocità diverse, i giochi meccanici definiti a temperatura ambiente variano quando l’attuatore raggiunge la temperatura di esercizio. Se tali giochi si annullano completamente, il meccanismo può bloccarsi oppure generare attriti eccessivi, con il rischio di danneggiare il motore. Se invece aumentano oltre il previsto, efficienza e stabilità meccanica possono degradarsi nel tempo.
L’efficienza del motore rappresenta uno dei principali fattori per il controllo delle criticità termiche. In Regal Rexnord, i motori sono progettati per mantenere elevate prestazioni alle temperature operative previste senza generare calore eccessivo. Il funzionamento a temperature contenute contribuisce a preservare le tolleranze di posizionamento, a prolungare la durata dei lubrificanti e a ridurre il rischio di guasti associati agli effetti termici lungo l’intero ciclo di lavoro.
Oltre al motore, la strategia di dissipazione del calore dipende dall’intensità di utilizzo del sistema. Per molte applicazioni è sufficiente il raffreddamento passivo, ottenuto sfruttando la massa termica dell'housing e l’eventuale presenza di alette di dissipazione. I robot industriali ad elevato ciclo di lavoro richiedono invece spesso sistemi di raffreddamento attivi, come la ventilazione forzata o il raffreddamento a liquido, per mantenere le temperature entro limiti operativi sicuri. In entrambi i casi, l’integrazione di sensori termici consente al sistema di controllo di monitorare l’andamento delle temperature prima che si verifichino guasti, trasformando la manutenzione da reattiva a predittiva.
Affidabilità e prestazioni nel ciclo di vita
Gli attuatori robotici sono generalmente sistemi sigillati. A differenza di molti grandi impianti industriali, non prevedono programmi periodici di rilubrificazione. Il lubrificante introdotto durante la messa in servizio deve quindi garantire prestazioni per tutta la vita utile del sistema; per questo motivo la gestione termica è fondamentale per preservarne l’efficacia nel tempo.
La lubrificazione è infatti uno dei primi elementi a degradarsi in presenza di temperature elevate. Quando la viscosità diminuisce eccessivamente, il film idrodinamico che protegge ingranaggi e cuscinetti si deteriora, velocizzando l’usura. Al contrario, quando la viscosità è troppo elevata durante l’avviamento a freddo, il motore deve vincere una maggiore resistenza del fluido, con conseguente riduzione dell’efficienza. Gestire correttamente l’ambiente termico significa quindi, in larga misura, preservare l’efficacia del sistema di lubrificazione.
Nel corso della vita operativa del sistema, gioco meccanico, effetti termici e degrado dei lubrificanti interagiscono tra loro. Con il tempo, anche i giochi meccanici più ridotti tendono ad aumentare. L’usura aumenta nel tempo, mentre i cicli termici provocano fenomeni di fatica nei materiali. Progettare per l’affidabilità significa quindi considerare il comportamento del sistema dall’avviamento fino al termine della sua vita utile.
La scelta dei materiali, le tecnologie di tenuta, la progettazione termica e le tolleranze dei componenti contribuiscono tutte alla capacità del sistema di mantenere inalterate le proprie prestazioni nel tempo.
Collaborare per progettare un sistema integrato
L’ottimizzazione degli attuatori per bracci robotici dipende dalla stretta interazione tra tutti i componenti del sistema. Le prestazioni di un motore potente e ad alta coppia possono essere compromesse da una trasmissione caratterizzata da un’eccessiva cedevolezza. Allo stesso modo, un riduttore di precisione può andare incontro a guasti prematuri in assenza di una corretta lubrificazione e gestione termica. L’intera catena cinematica elettromeccanica deve essere progettata come un sistema integrato. Inoltre, i requisiti degli attuatori evolvono nel passaggio dal prototipo alla produzione, facendo sì che il rapporto con il fornitore assuma un’importanza pari a quella della progettazione stessa.
Regal Rexnord mette a disposizione un portafoglio completo di marchi specializzati in motori, riduttori, viti con ricircolo di sfere, componenti meccanici e prodotti di precisione quali freni e cuscinetti, supportati da una consolidata esperienza ingegneristica che consente di comprenderne e ottimizzarne le interazioni. Questa ampia base di competenze ci permette di valutare le esigenze del cliente nel loro complesso e, grazie all’esperienza maturata nella progettazione, nei materiali e nella produzione globale, di individuare tempestivamente eventuali criticità. Tutto ciò è ancora più rilevante quando i progetti robotici passano a una produzione su larga scala. Dai singoli componenti fino agli attuatori integrati per bracci robotici, possiamo co-progettare soluzioni personalizzate oppure fornire sistemi sviluppati secondo specifiche prestabilite per soddisfare i requisiti applicativi.
Per scoprire come Regal Rexnord può supportare il tuo progetto di attuazione robotica, dall’ideazione iniziale fino alla produzione in serie, contatta il nostro team di ingegneri.
