Backlash

Detto anche: Gear Backlash, Lost Motion, Free Play
Categoria: Actuation & drivetrain › Ratings
Tag: gears, transmission, accuracy, backlash, metrology

Il gioco (lasco) di una trasmissione: di quanto si muove l'uscita prima che l'ingresso la riprenda dopo un'inversione, di solito indicato in minuti d'arco.

Definizione

Il gioco è il moto perso tra l'ingresso e l'uscita di una trasmissione: di quanto si può muovere avanti e indietro l'uscita senza che l'ingresso si muova affatto. Esiste perché i denti degli ingranaggi in presa hanno bisogno di un'aria per girare senza bloccarsi, e perché cuscinetti, scanalati e giunti contribuiscono ciascuno con il proprio lasco. Si indica come angolo all'uscita, di solito in minuti d'arco, dove un minuto d'arco è un sessantesimo di grado.

Il gioco conta perché viola l'ipotesi su cui si basa la maggior parte del codice di controllo, cioè che la posizione comandata del giunto sia uguale a quella effettiva. A ogni inversione di direzione l'uscita resta ferma per l'ampiezza del gioco e poi recupera, il che si manifesta come errore di posizione a ogni cambio di direzione, come limite a quanto si può tarare in modo aggressivo un anello di posizione prima che inizi a oscillare, e come vibrazione visibile nelle lavorazioni o nei compiti di disegno. Inoltre si somma lungo una catena cinematica: un piccolo lasco angolare alla spalla diventa un grande errore di posizione all'end effector, moltiplicato per lo sbraccio.

Il gioco non va confuso con la cedevolezza. La cedevolezza è elastica: il giunto si flette sotto carico e torna indietro, in modo ripetibile, e può essere modellata o compensata. Il gioco è una zona morta in cui l'uscita semplicemente non è controllata, e non è ripetibile in modo affidabile. Questa distinzione guida la scelta della trasmissione: i riduttori armonici hanno gioco quasi nullo ma sono sensibilmente cedevoli sotto coppia, i riduttori planetari sono rigidi ma hanno un gioco di diversi minuti d'arco se non precaricati, e i riduttori cicloidali si collocano tra i due.

Perché è importante

Il gioco è di solito il primo limite rigido alla precisione che un costruttore incontra, ed è invisibile in una distinta dei componenti. Un braccio robotico assemblato con buoni motori ed encoder può comunque deviare di millimetri in punta perché pochi minuti d'arco di lasco in ogni giunto si accumulano lungo la catena. Poiché gli encoder sono normalmente montati sul motore e non sull'uscita, l'anello di controllo non può nemmeno vedere l'errore: il giunto riporta di trovarsi esattamente dove gli è stato detto. Capire il gioco è ciò che trasforma un numero della scheda tecnica in una previsione di come si comporterà davvero una macchina.

Applicazioni principali

Confrontare le schede tecniche dei riduttori, dove il gioco è indicato in minuti d'arco
Diagnosticare errori di posizione che compaiono solo alle inversioni di direzione
Decidere se un encoder va montato sul motore o sull'uscita del giunto
Specificare giunti per compiti di lavorazione, disegno, dosaggio o ispezione
Ripartire il budget di precisione dell'end effector lungo una catena cinematica a più giunti

In pratica

Si misura bloccando l'ingresso e facendo oscillare l'uscita contro un comparatore a un raggio noto, convertendo poi la deflessione in un angolo. Valori tipici: riduttori armonici sotto un minuto d'arco, riduttori cicloidali di qualità intorno a uno, riduttori planetari di precisione da tre a cinque, e riduttori planetari standard o treni di ingranaggi stampati dieci o più. Le contromisure comuni sono il precarico o gli ingranaggi sdoppiati, il montaggio dell'encoder sull'uscita anziché sul motore, in modo che l'anello possa vedere la posizione reale, e l'avvicinamento a ogni obiettivo sempre dalla stessa direzione, così che il lasco venga recuperato sempre nello stesso verso: il trucco che i fresatori CNC usano da decenni.

Idee sbagliate comuni

Gioco e cedevolezza sono la stessa cosa: la cedevolezza è elastica e ripetibile, il gioco è una zona morta non controllata
Un encoder lato motore lo rileverà: il gioco si trova dopo l'encoder, quindi il controllore riporta il giunto come in posizione
Il gioco nullo è sempre l'obiettivo: eliminarlo costa denaro, rendimento e resistenza agli urti, e a un robot con gambe può importare molto di più sopravvivere agli impatti
È costante: il gioco varia con posizione, temperatura, precarico e usura, ed è proprio per questo che è difficile compensarlo via software

Chi dovrebbe saperlo

Chiunque costruisca un braccio robotico che deve essere preciso e non solo robusto
Costruttori la cui ripetibilità è buona in una direzione e scarsa nell'altra
Chiunque debba scegliere tra trasmissioni planetarie, cicloidali e armoniche
Ingegneri che decidono dove collocare gli encoder in un giunto
Studenti che imparano perché i bracci industriali costano quanto costano

Open Source Robotics