Azionamenti armonici

Il movimento rotatorio proviene da un albero di ingresso che può essere ad esempio un asse di un servomotore. Questo è collegato ad un elemento chiamato “generazione d'onda” che ha forma ellittica ed è circondato da un cuscinetto a sfere ellittico. Mentre l'albero ruota, i bordi cambiano posizione, quindi sembra che stia generando un'onda di movimento. Questa parte è inserita all'interno di una scanalatura flessibile realizzata in un materiale torsionalmente rigido ma flessibile.

Il materiale riprende questo movimento ondulatorio flettendosi secondo la rotazione dell'albero di ingresso e crea inoltre una forma ellittica. Il bordo esterno di questa scanalatura flessibile presenta dentature adatte a trasferire carichi elevati senza problemi. Per trasferire questi carichi, la scanalatura flessibile è montata all'interno della scanalatura circolare che è un ingranaggio rotondo dotato di denti interni.

Questo anello esterno è rigido e il suo diametro interno è leggermente più grande dell'asse maggiore dell'ellisse formata dalla scanalatura flessibile. Ciò significa che la spline circolare non assume la forma ellittica degli altri due componenti, ma semplicemente ingrana i suoi denti interni con quelli del lato esterno della spline flessibile, determinando la rotazione della spline flessibile.

La velocità di rotazione dipende dalla rotazione dell'albero di ingresso e dalla differenza nel numero di denti tra la scanalatura flessibile e la scanalatura circolare. La scanalatura flessibile ha meno denti della scanalatura circolare, quindi può ruotare con un rapporto molto ridotto e nella direzione opposta a quella dell'albero di ingresso. Il rapporto di riduzione è dato da: (numero denti flex spline – numero denti circolari) / numero denti flex spline.

Quindi, ad esempio, se la spline flessibile ha 100 denti e la spline circolare ne ha 105, il rapporto di riduzione è (100 - 105) / 100=-0.05 il che significa che il rapporto della spline flessibile è -5/100 (meno indica la direzione opposta della rotazione). La differenza nel numero di denti può essere modificata per adattarsi a diversi rapporti di riduzione e quindi a diverse esigenze e requisiti specializzati.

Ci sono tre elementi in un Harmonic Drive di base: una spline circolare, una spline flessibile e un generatore di onde. La spline circolare ha denti interni che si ingranano con i denti esterni sulla flexspline. La spline flessibile ha meno denti e di conseguenza un diametro effettivo inferiore rispetto alla spline circolare.

Il generatore d'onde è di forma ellittica e funge da collegamento con due rulli che ruotano all'interno del flexspline, facendolo ingranare progressivamente con la spline circolare nei punti diametralmente opposti. Se il generatore di onde (l'ingresso) ruota in senso orario mentre la spline circolare è fissa, il flexspline (l'uscita) ruoterà o rotolerà all'interno della spline circolare a una velocità molto più lenta in senso antiorario.

Il rapporto tra la velocità di ingresso e la velocità di uscita dipende dalla differenza nel numero di denti nella spline circolare e nella flexspline. Rapporti di velocità fino a 320 a 1 possono essere prodotti negli Harmonic Drives-a riduzione singola, che sono più leggeri, più piccoli e più efficienti degli azionamenti convenzionali ad alto-rapporto. Le unità composte possono produrre rapporti fino a 1.000.000 a 1. La spline circolare, la flexspline o il generatore di onde possono essere fissi mentre gli altri due elementi fungono da input e output.

Una caratteristica unica e utile dell'Harmonic Drive è la sua capacità di trasmettere il movimento attraverso pareti sigillate. I denti flexspline possono essere posizionati vicino al centro di un lungo tubo cilindrico flessibile sigillato ermeticamente. Il generatore d'onde può trovarsi all'interno del tubo e, mediante la sua rotazione, può deviare il flexspline e produrre una rotazione lenta della spline circolare circostante.

Una versione da rotativa a-lineare dell'Harmonic Drive utilizza una vite e sposta l'asta di controllo nella testa di un reattore nucleare senza contatto meccanico attraverso un tubo sigillato. I sistemi Harmonic Drive sono utili per aumentare la coppia di uscita negli ingranaggi utilizzati nella fresatura, nella produzione e nelle macchine che utilizzano bracci robotici. Sono stati impiegati in una varietà di applicazioni, che vanno da articoli di consumo a basso-costo come i distributori automatici a sistemi sofisticati per uso militare e aerospaziale.

Gli ingranaggi della trasmissione armonica sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni spaziali, nella robotica e nei sistemi di posizionamento di precisione grazie alle loro caratteristiche interessanti, tra cui gioco quasi- nullo, rapporto di riduzione ad alta velocità, dimensioni compatte e peso ridotto. Possiedono un errore di posizionamento periodico intrinseco noto come errore cinematico responsabile del degrado delle prestazioni di trasmissione.

Avere una chiara comprensione dei meccanismi degli errori di movimento e della loro caratterizzazione. Riportiamo i risultati analitici e sperimentali degli errori di movimento utilizzando uno studio dedicato delle apparecchiature di test della guida armonica. Si dimostra innanzitutto che l'errore denominato errore cinematico è costituito in realtà da una componente fondamentale, che rappresenta l'errore cinematico “puro”, colorata da una seconda componente derivante dalla flessibilità torsionale intrinseca degli ingranaggi armonici di trasmissione.

Quest'ultimo componente spiega l'origine della variabilità nei profili di errore cinematico pubblicati. La scomposizione dell'errore cinematico in una componente di base e una componente correlata alla flessibilità è dimostrata sperimentalmente e analiticamente abbinando un modello matematico ai dati sperimentali. Caratterizziamo inoltre la dipendenza dell'errore cinematico dal carico inerziale, dal gruppo degli ingranaggi e dalla velocità di rotazione.