Nella progettazione di un'applicazione di controllo del movimento, gli ingegneri devono districarsi in una complessa rete di specifiche e vincoli. Sebbene i requisiti applicativi dettino la velocità e la coppia necessarie, i confini fisici sono rigorosamente definiti da limitazioni di volume, peso e dimensioni. Ridurre al minimo il numero di componenti è sempre l'ideale per diminuire sia la complessità che i costi; tuttavia, le soluzioni a trasmissione diretta raggiungono prima o poi una soglia fisica oltre la quale diventano troppo ingombranti per fornire la coppia richiesta.

È qui che entra in gioco la trasmissione. L'integrazione di un riduttore moltiplica la coppia in uscita del motore, eliminando la necessità di un motore più grande e pesante. Sebbene questo compromesso riduca la velocità in uscita, è una soluzione ampiamente accettabile per molte applicazioni. Progettare con un motore frameless richiede già di affrontare decisioni tecniche complesse, e l'introduzione di uno stadio di riduzione aumenta ulteriormente tale complessità. Tuttavia, approcciando l'integrazione di questi componenti in modo sistematico, gli ingegneri possono sviluppare con successo un sistema altamente efficiente, compatto ed estremamente denso di coppia.

Evoluzione del controllo del movimento compatto: perché è importante oggi?

L'evoluzione del controllo del movimento compatto sta accelerando rapidamente verso un'estrema miniaturizzazione senza sacrificare le prestazioni. In settori ad alto valore aggiunto, tra cui robotica, dispositivi medici e aerospaziale, la richiesta di sistemi più piccoli, leggeri e altamente integrati ha raggiunto livelli record e non sembra destinata a fermarsi. Per soddisfare questi rigorosi requisiti, i progettisti si stanno allontanando dai motori ingombranti dotati di carcassa tradizionale a favore di alternative frameless.

Composti esclusivamente da rotore e statore separati, i motori frameless si integrano direttamente nella struttura meccanica di una macchina, come un giunto robotico o uno strumento chirurgico. Questa integrazione diretta elimina componenti ridondanti come giunti, cuscinetti e carcasse ausiliarie, riducendo drasticamente sia l'ingombro complessivo che la massa del sistema. In linea con ciò, l'obiettivo principale del settore è stato massimizzare la densità di coppia, fornendo la coppia più elevata possibile all'interno del minor spazio disponibile.

Figura 1. Schema di configurazioni seriali "impilate" rispetto alla configurazione outrunner rispetto all'integrazione inrunner senza cave con riduttore epicicloidale

Combinazione di un motore frameless senza cave con ingranaggi: nuove possibilità

Fino ad oggi, il risparmio di spazio e massa derivante dall'integrazione di un motore frameless per rendere gli attuatori più compatti e leggeri è stato piuttosto significativo. L'utilizzo di un motore frameless e di un riduttore, integrati in serie, aumenta la complessità e l'equilibrio tra i risparmi ottenuti e la complicazione generale sembra ripagare solo in casi selezionati.

L'evoluzione del controllo del movimento compatto ha raggiunto una potente sinergia accoppiando motori con ampio diametro interno a riduttori integrati centralmente. Il vantaggio principale di questa architettura risiede nella sua radicale efficienza nell'uso dello spazio. Eliminare la configurazione "impilata" convenzionale, in cui il motore si trova assialmente dietro il riduttore, riduce drasticamente la lunghezza complessiva e il peso del sistema. Tradizionalmente, ciò è stato realizzato con motori outrunner con cave, che presentano forti sfide legate alla dissipazione termica e alla complessità di integrazione.

È qui che il FiberPrinting™ processo gioca un ruolo importante. Questo metodo rivoluzionario di produzione di avvolgimenti in rame senza ferro e senza cave genera uno statore super compatto con un elevato fattore di riempimento. Questo statore viene poi accoppiato a un rotore con array di Halbach per ottenere un motore frameless con una densità di coppia superiore, in grado di competere anche con le controparti dotate di cave. Il risultato è un motore frameless in-runner super sottile che consente l'integrazione di riduttori all'interno del motore stesso. Ciò non solo permette di ottenere un attuatore super compatto e leggero, ma grazie alla natura del design senza cave, si ottengono molti altri vantaggi (assenza di cogging, linearità della coppia, nessuna saturazione della coppia, ecc.), mantenendo le stesse prestazioni. Inoltre, i motori senza cave di Alva non soffrono di saturazione magnetica, consentendo loro di fornire in modo affidabile le coppie di picco elevate richieste per casi di carico dinamico. Infine, poiché i motori Alva sono in-runner, lo statore si trova all'esterno, il che è vantaggioso per l'ingombro e gli aspetti termici.  

Alternative di trasmissione

La scelta di una specifica topologia di ingranaggi da accoppiare a un motore frameless dipende fortemente dai requisiti generali del sistema. Poiché diverse tecnologie di trasmissione offrono vantaggi e compromessi distinti, la scelta ottimale è dettata dalle esigenze specifiche dell'applicazione. Ecco una panoramica delle principali alternative di trasmissione solitamente utilizzate in questi progetti.

Epicicloidale

Un riduttore epicicloidale è un sistema di ingranaggi composto da un ingranaggio centrale di ingresso (solare) circondato da ingranaggi condotti orbitanti (planetari) che si interfacciano con una corona dentata esterna. A seconda del rapporto di riduzione richiesto, il sistema può essere configurato come stadio singolo o impilato in più stadi.

Vantaggi:

• Elevata rigidità torsionale e distribuzione del carico: poiché il carico meccanico viene distribuito simultaneamente su più ingranaggi planetari, il sistema presenta un'eccezionale rigidità torsionale.

• Resistenza ai carichi d'urto: questa architettura a ripartizione del carico consente agli ingranaggi planetari di resistere efficacemente a improvvisi carichi d'urto.

• Elevata efficienza e densità di coppia: possono essere progettati per offrire un'eccellente densità di coppia insieme a un'elevata efficienza ad alta velocità.
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Limitazioni:

• Gioco meccanico: I sistemi planetari soffrono intrinsecamente di gioco meccanico, che può influire sulla precisione.

• Ingombro assiale: il raggiungimento di rapporti di trasmissione più elevati richiede l'impilamento di più stadi, il che aumenta l'ingombro assiale complessivo dell'attuatore.
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Applicazioni tipiche:

Gli ingranaggi planetari sono ampiamente utilizzati, ad esempio, in attuatori aerospaziali, robotica umanoide, veicoli a guida automatica (AGV) e sistemi pick-and-place ad alta velocità.

Combinazioni tradizionali di ingranaggi planetari e motori:

In genere, un attuatore realizzato con ingranaggi planetari offre alta velocità, densità di coppia e reversibilità. Tuttavia, soffre di gioco meccanico e l'impilamento degli stadi per ottenere una coppia maggiore aumenta l'ingombro assiale, richiedendo un feedback secondario per una precisione estrema.

Nuove possibilità per attuatori con ingranaggi planetari e motori a sezione sottile:

Con i motori a sezione sottile di Alva, l'ingombro assiale dell'ingranaggio è mitigato dalla forma compatta e dall'ampio foro interno, che consente di posizionare l'ingranaggio al centro del motore. Il design senza cave elimina il cogging per garantire una rotazione estremamente fluida e ottimizza l'efficienza ad alta velocità. Inoltre, le elevate capacità di coppia di picco consentono di ridurre i rapporti di trasmissione e aumentare la reversibilità dell'attuatore.  

Riduttori a deformazione (Harmonic drive)

Un riduttore a deformazione è costituito da tre componenti principali: un generatore d'onda ellittico, una tazza flessibile scanalata con denti esterni (flexspline) e una corona dentata esterna rigida (circular spline). Mentre il generatore d'onda ruota all'interno della tazza flessibile, la deforma per farla ingranare con la corona esterna. Questo meccanismo unico crea un sistema monostadio estremamente compatto, in grado di raggiungere rapporti di riduzione eccezionalmente elevati.

Vantaggi:

• Gioco quasi nullo: Poiché più denti dell'ingranaggio rimangono in contatto continuo simultaneamente, i riduttori a deformazione elastica presentano un gioco minimo o quasi nullo, rendendoli ideali per applicazioni ad alta precisione.

• Elevati rapporti di riduzione a stadio singolo: È possibile ottenere un'elevata riduzione degli ingranaggi in un ingombro compatto a stadio singolo.  

• Foro passante integrato: Oltre a raggiungere elevati rapporti di trasmissione in un unico stadio, questi sistemi presentano spesso un ampio foro centrale, che consente il passaggio ordinato di cavi e linee di servizio.
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Limitazioni:

• Rigidità ridotta: A causa della flessibilità intrinseca dei componenti interni, i riduttori a deformazione elastica mancano dell'elevata rigidità torsionale tipica dei sistemi di ingranaggi rigidi.

• Limitazioni di velocità: I vincoli termici e la meccanica della deformazione flessibile possono limitarne le prestazioni a velocità di ingresso elevate.
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Applicazioni tipiche:

I riduttori a deformazione elastica rappresentano lo standard industriale per giunti robotici di precisione, robot chirurgici, gimbal di posizionamento ad alta accuratezza e altre applicazioni.

Combinazioni tradizionali di riduttori a deformazione elastica e motori:

In genere, un attuatore realizzato con riduttori a deformazione elastica offre gioco zero, elevata densità di coppia ed elevati rapporti di riduzione a stadio singolo in un ingombro assiale compatto. Tuttavia, risente di velocità massime limitate, ripple di coppia (errore di velocità) ed elevato attrito, che riduce l'efficienza e limita la reversibilità.

Nuove possibilità per attuatori con riduttori a deformazione elastica e motori a sezione sottile:

Con i motori a sezione sottile di Alva, l'attuatore raggiunge una forma ultra-piatta a "pancake" che si adatta alla ridotta lunghezza assiale dell'ingranaggio. Il design senza cave elimina il cogging del motore per migliorare la fluidità dell'uscita, minimizza le perdite termiche a basse velocità e, se necessario, consente un ampio albero cavo per un cablaggio passante ordinato.

Cicloidale

Un azionamento cicloidale è costituito da un albero di ingresso con un cuscinetto eccentrico o una camma che aziona una serie di dischi cicloidali. Questi dischi rotolano all'interno di un anello fisso di perni o rulli, innestandosi con un meccanismo dell'albero di uscita con un movimento fluido e continuo. Poiché un'elevata percentuale delle superfici portanti rimane in contatto simultaneamente, il meccanismo ottiene un'eccezionale ripartizione del carico.

Vantaggi:

• Resistenza superiore ai carichi d'urto: L'ampia distribuzione del carico su molteplici elementi di contatto consente agli ingranaggi cicloidali di sopportare carichi d'urto estremi senza subire guasti catastrofici.

• Elevati rapporti di riduzione a stadio singolo: Possono raggiungere rapporti di riduzione significativi all'interno di un ingombro compatto a stadio singolo.

• Gioco ridotto: Il design a contatto volvente minimizza intrinsecamente il gioco meccanico, garantendo un'elevata precisione di posizionamento.

Limitazioni:

• Complessità meccanica: La configurazione complessa di camme eccentriche, dischi multipli e rulli di precisione aumenta la complessità di produzione e il numero di componenti.

• Vibrazioni ad alta velocità: A causa delle forze inerziali intrinseche delle masse rotanti eccentriche, i riduttori cicloidali possono soffrire di vibrazioni considerevoli alle alte velocità.

Applicazioni tipiche:

Gli ingranaggi cicloidali sono ideali per ambienti ad alto impatto, inclusi esoscheletri per arti inferiori, robotica mobile per impieghi gravosi e sistemi di automazione industriale ad alta precisione.

Combinazioni tradizionali di ingranaggi cicloidali e motori:

Tipicamente, un attuatore realizzato con ingranaggi cicloidali offre un'estrema resistenza ai carichi d'urto, un'elevata densità di coppia e un gioco minimo in un ingombro compatto. Tuttavia, risente di vibrazioni eccentriche interne alle alte velocità, tolleranze di produzione complesse e un maggiore attrito volvente che riduce l'efficienza complessiva e la reversibilità.

Nuove possibilità per attuatori con ingranaggi cicloidali e motori a sezione sottile:

Con i motori a sezione sottile di Alva, l'attuatore mantiene un profilo ultra-piatto e altamente integrato che rispecchia la ridotta lunghezza assiale dell'ingranaggio. Il design senza cave elimina il cogging per massimizzare la fluidità della coppia a basse velocità, mentre le basse perdite ad alta frequenza contribuiscono a mitigare la generazione di calore durante il pilotaggio degli ingressi eccentrici dell'ingranaggio. La forma compatta del motore consente questa combinazione di motore e ingranaggio anche in dimensioni fisiche ridotte, poiché rimane più spazio per l'ingranaggio.  

Viti a ricircolo di sfere - Movimento da rotatorio a lineare

Una vite a ricircolo di sfere è un attuatore meccanico altamente efficace utilizzato per convertire il moto rotatorio di un motore in un preciso moto lineare. Il gruppo è costituito da un albero filettato di precisione e da una chiocciola corrispondente riempita di cuscinetti a sfere a ricircolo, che scorrono lungo l'albero per azionare il carico lineare.

Vantaggi:

• Elevata efficienza meccanica: Poiché il sistema si basa su elementi volventi anziché sull'attrito radente, offre un'eccezionale efficienza meccanica e una perdita di potenza minima.

• Movimento fluido e basso attrito: Il rotolamento continuo dei cuscinetti garantisce una traslazione lineare fluida e prevedibile con un minimo effetto stick-slip.

Limitazioni:

• Assenza di foro passante centrale: A differenza di alcune topologie di ingranaggi rotativi, le viti a ricircolo di sfere non possono ospitare un foro passante, il che limita le opzioni per il passaggio centrale dei cavi.

• Limitazioni di velocità (effetto frusta): Gli alberi delle viti a ricircolo di sfere, lunghi e sottili, sono soggetti a deflessione strutturale e vibrazioni alle alte velocità - un fenomeno noto come "screw whip" - che impone un limite rigoroso alla velocità massima.

Applicazioni tipiche:

Le viti a ricircolo di sfere sono ampiamente integrate in pompe per infusione medicale, attuatori per il controllo di volo aerospaziale e stadi di messa a fuoco ottica o laser ad alta precisione.

Combinazioni tradizionali di vite a ricircolo di sfere e motore:

In genere, un attuatore realizzato con viti a ricircolo di sfere offre una forza lineare eccezionalmente elevata, un posizionamento preciso e un'eccellente efficienza con un gioco quasi nullo. Tuttavia, soffre di una velocità lineare limitata, converte rigorosamente il moto rotatorio in movimento lineare e richiede una lunghezza assiale significativa per accogliere la corsa della vite.

Nuove possibilità per gli attuatori a vite a ricircolo di sfere con motori a sezione sottile:

Con i motori a sezione sottile di Alva, l'attuatore ottiene una configurazione ultra-compatta da rotatorio a lineare. L'ampio albero cavo del motore consente all'albero della vite a ricircolo di sfere di passare direttamente attraverso il rotore, riducendo drasticamente la lunghezza assiale complessiva, mentre il design senza cave elimina il cogging per garantire un posizionamento lineare ultra-fluido e sub-micronico.

Considerazioni chiave generali per l'integrazione meccanica  

Quando si integra un motore frameless con un set di ingranaggi, è necessario affrontare diversi fattori di progettazione e assemblaggio per garantire prestazioni ottimali dell'attuatore e una lunga durata. Il seguente elenco delinea le principali considerazioni di integrazione ed evidenzia i parametri chiave da valutare durante la fase di progettazione:

• Integrità e concentricità del traferro: I motori frameless sono progettati con tolleranze strette, spesso caratterizzati da un traferro di pochi decimi di millimetro. Mantenere una concentricità assoluta tra rotore e statore in tutti gli scenari di carico - specialmente sotto le forze complesse esercitate sul set di ingranaggi - è fondamentale. Di conseguenza, ciò influenza pesantemente la scelta dei cuscinetti e la progettazione dei componenti strutturali in base ai profili di carico specifici dell'applicazione. Inoltre, la gestione del traferro radiale diventa significativamente più complessa a causa di un accumulo di tolleranze più articolato, introdotto dal maggior numero di componenti interagenti.
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• Gestione termica e dissipazione del calore: Poiché il set di ingranaggi è solitamente integrato centralmente all'interno del diametro interno del rotore, l'energia termica generata dalle perdite per attrito e meccaniche all'interno del riduttore influisce direttamente sulle temperature del motore. Bilanciare i requisiti di prestazione del sistema rispetto ai limiti di temperatura operativa del motore è fondamentale. Nello specifico, i progettisti devono tenere conto del fatto che il rotore e i suoi magneti permanenti sono più sensibili al calore e non possono sopportare le stesse temperature di picco degli avvolgimenti dello statore senza rischiare la smagnetizzazione o il degrado.
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• Adattamento dell'inerzia e retro-azionabilità: In un sistema a ingranaggi, l'inerzia riflessa del carico scala inversamente con il quadrato del rapporto di trasmissione, il che significa che il motore percepisce l'inerzia del carico divisa per n² (dove n rappresenta il rapporto di riduzione). Al contrario, l'inerzia del rotore riflessa all'uscita viene amplificata di un fattore n². Ottimizzare l'adattamento dell'inerzia tra rotore e carico - puntando idealmente a un rapporto 1:1 per le massime prestazioni dinamiche - garantendo al contempo che il sistema rimanga reversibile, rappresenta una sfida progettuale significativa. L'equilibrio ideale dipende fortemente dai profili di movimento dinamico del sistema e dal grado specifico di reversibilità richiesto dall'applicazione.
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• Mitigazione delle vibrazioni e dinamica strutturale: L'introduzione di un set di ingranaggi aumenta intrinsecamente i profili di vibrazione acustica e meccanica all'interno di un sistema di controllo del movimento. Garantire che tutti i componenti rotanti siano bilanciati dinamicamente e che gli alloggiamenti strutturali siano progettati con una rigidità adeguata è fondamentale per mitigare queste armoniche indesiderate. Un corretto allineamento dei componenti e tolleranze di produzione precise sono essenziali per ridurre al minimo l'eccitazione ciclica e mantenere la stabilità del sistema sotto carico.
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• Ottimizzazione del foro passante e passaggio cavi: L'integrazione di un set di ingranaggi centralmente all'interno del rotore limita intrinsecamente il diametro disponibile del foro passante. A seconda della tecnologia di ingranaggi selezionata, è possibile ottenere diversi gradi di capacità di foro passante. Gli ingranaggi a deformazione (strain wave) sono generalmente i più adatti a mantenere un'ampia apertura centrale pur raggiungendo elevati rapporti di riduzione. Anche gli ingranaggi planetari possono essere progettati per supportare un foro passante, sebbene questa configurazione introduca solitamente una maggiore complessità meccanica per instradare i percorsi interni attraverso i componenti orbitanti.
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• Isolamento della lubrificazione e integrità delle guarnizioni: Se gli ingranaggi selezionati richiedono lubrificazione, questa deve essere isolata in modo robusto dalla cavità del motore. La migrazione del fluido nello stretto traferro aumenterebbe l'attrito viscoso, portando a perdite di potenza parassite e cali di efficienza. Inoltre, i lubrificanti che migrano possono degradare chimicamente l'isolamento dei fili dello statore - causando potenzialmente cortocircuiti elettrici - mentre una guarnizione compromessa può consentire a sporcizia ambientale e detriti di usura di entrare nel traferro magnetico, rischiando danni per abrasione.
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• Feedback a doppio sensore e controllo di precisione: Per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione di posizionamento, si raccomanda vivamente l'implementazione di un feedback a doppio sensore, con un encoder posizionato su ciascun lato dello stadio di ingranaggi. Questa configurazione a doppio anello consente al sistema di controllo di misurare e compensare attivamente il gioco meccanico, la deflessione torsionale e altre non linearità intrinseche al riduttore.
  

Opportunità di personalizzazione, GearTorq™ e conclusioni finali

L'abbinamento di un motore frameless senza cave con un sistema di ingranaggi correttamente dimensionato offre una soluzione eccezionale per le applicazioni che richiedono un'elevata densità di potenza entro rigorosi vincoli di spazio o peso. Tuttavia, identificare la combinazione ideale di motore e riduttore standard può essere una sfida, poiché l'abbinamento è quasi sempre un compromesso tra metriche di prestazione contrastanti. I componenti standard raramente si allineano perfettamente in termini di coppia, velocità e limiti termici, costringendo spesso i progettisti ad accettare efficienze non ottimali o pacchetti sovradimensionati. L'utilizzo di una piattaforma motore personalizzabile risolve questo collo di bottiglia, consentendo agli ingegneri di adattare l'avvolgimento e la geometria fisica del motore per corrispondere esattamente alle caratteristiche uniche del set di ingranaggi e ottimizzare le prestazioni complessive del sistema.

FiberPrinting™ è un metodo di produzione flessibile che consente la personalizzazione del motore. Ciò significa che gli ingegneri possono progettare un attuatore ottimizzato, derivato dai requisiti e dai limiti dell'applicazione, tenendo conto delle alternative di ingranaggi disponibili, e non viceversa. Questo apre a tutte le soluzioni possibili, consentendo la scelta migliore per ogni progetto.  

Alva offre anche la GearTorq™ linea di prodotti, che presenta motori più lunghi rispetto alla SlimTorq™ gamma. Con lo stesso fattore di forma compatto disponibile e un ampio diametro interno, GearTorq™ i motori possono essere combinati con diverse topologie di ingranaggi posizionate centralmente all'interno del motore. Poiché la maggior parte dei set di ingranaggi aggiunge una certa lunghezza, questo spazio disponibile viene sfruttato appieno da motori leggermente più lunghi.  

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