Harmonic Drive

• Detto anche: Strain Wave Gear, Harmonic Gearbox, Harmonic Gear, Harmonic Reducer, Strain Wave
• Categoria: Actuation & drivetrain › Transmission
• Tag: gears, transmission

Meccanismo di riduzione ad alto rapporto e gioco nullo, molto usato nei giunti dei robot.

Definizione

Il riduttore armonico (Harmonic Drive), in termini generici un riduttore a onda di deformazione (strain wave), ottiene una riduzione molto elevata in un unico stadio compatto grazie a tre parti: una corona rigida a dentatura interna (circular spline), una coppa flessibile chiamata flexspline con un numero di denti esterni leggermente inferiore e un generatore d'onda ellittico al suo interno. Il generatore d'onda deforma la flexspline in un'ellisse, così che i suoi denti ingranino con la circular spline in due punti opposti. Ogni giro completo dell'ingresso fa avanzare la flexspline solo della differenza nel numero di denti, tipicamente due, dando rapporti da 30:1 a 320:1 in un singolo stadio.

Poiché molti denti sono in presa contemporaneamente e l'ingranamento è precaricato dalla flessione stessa, il gioco è praticamente nullo e la ripetibilità è eccellente. Questa combinazione è il motivo per cui i bracci industriali usano riduttori a onda di deformazione negli assi del polso, dove la precisione conta di più e i carichi sono minori.

I costi sono reali. La flexspline è una sottile coppa d'acciaio deformata milioni di volte, quindi gli urti e i sovraccarichi la danneggiano, e il gruppo è costoso e richiede un montaggio accurato. La riduzione elevata significa anche che di fatto non è reversibile: il giunto mantiene la posizione ad alimentazione spenta, ma non percepisce il contatto attraverso la corrente del motore né cede a una persona che lo spinge. E gioco nullo non significa cedevolezza nulla: sotto coppia la flexspline subisce una torsione elastica, che si manifesta come errore di posizione sotto carico anziché come gioco libero.

Perché è importante

Un riduttore armonico è un riduttore a onda di deformazione che ottiene rapporti di riduzione molto elevati in un ingombro compatto e coassiale, con un gioco praticamente nullo. Questa combinazione è il motivo per cui domina nei giunti dei robot industriali e nei posizionatori di precisione: offre la rigidezza e la ripetibilità richieste da assemblaggio e lavorazioni meccaniche. Il suo compromesso caratteristico è l'immagine speculare del quasi-direct drive (QDD): enorme moltiplicazione della coppia e precisione, al prezzo di non essere di fatto reversibile e di essere relativamente fragile agli urti.

Applicazioni principali

• Giunti di bracci robotici industriali che richiedono precisione e rigidezza
• Giunti dei cobot, abbinati al rilevamento della coppia per la sicurezza
• Tavole rotanti di precisione e posizionatori di telescopi o antenne
• Meccanismi aerospaziali e satellitari in cui massa e gioco sono critici
• Assi di macchine utensili che richiedono un'elevata rigidezza sotto carico
• Robotica chirurgica che richiede movimenti fini e ripetibili

In pratica

Quasi ogni braccio industriale tradizionale ha riduttori armonici nei giunti principali, ed è per questo che questi bracci mantengono la posizione in modo rigido sotto carico e la ripetono con scarti di frazioni di millimetro. È anche il motivo per cui è pericoloso stare loro vicino senza sistemi di sicurezza: una trasmissione ad alto rapporto non può essere spinta via, e maschera le forze di contatto dietro l'attrito, così che il giunto può non accorgersi di aver urtato qualcosa. Il componente è prodotto con lavorazioni di precisione ed è costoso, il che spiega in gran parte il prezzo dei bracci industriali.

Idee sbagliate comuni

• Gioco nullo significa cedevolezza nulla: i riduttori a onda di deformazione subiscono sotto carico una torsione elastica, che non è gioco
• Rapporto elevato significa elevata robustezza: sono componenti di precisione e gli urti possono danneggiarli
• Con abbastanza forza si possono muovere dall'uscita: la riduzione elevata li rende di fatto non reversibili, il che è un aspetto di sicurezza
• Tutti i riduttori ad alto rapporto si equivalgono: i riduttori cicloidali e i riduttori planetari differiscono per gioco, rigidezza e tolleranza agli urti

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri che specificano giunti di bracci industriali o di cobot
• Chiunque si chieda perché i bracci industriali costano molto più di quelli hobbistici
• Progettisti che soppesano la precisione rispetto a reversibilità e sicurezza
• Studenti che imparano i tipi di trasmissione in robotica
• Chiunque debba valutare se un robot può essere spostato a mano in caso di emergenza

Tecnologie correlate

• Riduttore cicloidale
• Riduttore planetario
• Riduttori a onda di deformazione (riduttori armonici)
• Compensazione del gioco
• Densità di coppia
• Attuatore quasi-direct drive (QDD)
• Attuatore elastico in serie (SEA)
• Flexspline

Termini correlati

• Servo Motor
• Actuator
• Cycloidal Drive
• Backlash
• Gear Ratio
• Backdrivability
• Torque Density
• Torque Control

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