Tra tutte le applicazioni in cui un giunto Oldham può comparire in un sistema di controllo del movimento, nessuna è più impegnativa – o più rivelatrice dei punti di forza unici di questo tipo di giunto – del collegamento tra un albero rotante e un dispositivo di retroazione rotativa come un encoder incrementale, un encoder assoluto o un resolver. Questi dispositivi convertono la posizione angolare dell'albero in un segnale elettrico, e la qualità di tale segnale dipende direttamente dalla qualità dell'accoppiamento meccanico tra l'albero e il rotore di ingresso del dispositivo. Un giunto con gioco, cedevolezza o effetti di carico sui cuscinetti corromperà il segnale in modi che si ripercuoteranno a cascata sull'intero sistema di controllo.
Questo articolo spiega perché l'accoppiamento Oldham, in particolare nella sua versione miniaturizzata, è diventato lo standard per i collegamenti degli alberi di encoder e resolver nei sistemi di movimentazione di precisione in tutto il mondo.
Cosa misurano effettivamente gli encoder e i resolver
Un encoder rotativo o resolver è fondamentalmente un trasduttore: converte la posizione angolare di un albero in un segnale elettrico che un controllore di movimento può interpretare. Gli encoder incrementali emettono un treno di impulsi con un numero definito di impulsi per giro; il controllore conta gli impulsi per determinare la variazione di posizione relativa. Gli encoder assoluti emettono una parola digitale che rappresenta direttamente la posizione angolare dell'albero in un singolo giro (monogiro) o su più giri (multigiro). I resolver emettono una coppia di tensioni sinusoidali il cui rapporto di ampiezza codifica l'angolo dell'albero.
In ogni caso, l'uscita elettrica è precisa solo quanto l'ingresso meccanico. Se l'accoppiamento tra l'albero condotto e l'albero di ingresso dell'encoder introduce un errore angolare, per quanto piccolo, tale errore viene segnalato al controllore come se si trattasse di un movimento reale dell'albero. Il controllore, quindi, agisce in base a dati di posizione errati, generando errori di posizionamento, oscillazioni di velocità o instabilità nel circuito di controllo che non possono essere corretti via software perché il controllore non è a conoscenza dell'esistenza dell'errore.
Il problema del contraccolpo negli accoppiamenti a retroazione
Consideriamo un asse servoassistito che utilizza un encoder montato sul motore per il feedback di posizione. Se l'accoppiamento tra l'albero del motore e l'encoder presenta un gioco di 0,1 gradi, ecco cosa percepisce il controllore ad ogni inversione di direzione:
Il motore inizia a ruotare nella nuova direzione. L'encoder, tuttavia, non segnala alcun movimento per i primi 0,1 gradi perché è necessario superare la zona morta dovuta al gioco meccanico prima che l'accoppiamento trasmetta il movimento al rotore dell'encoder. Durante questa zona morta, il controllore non rileva alcuna variazione di posizione e quindi continua a comandare una coppia crescente per compensare l'errore di posizione. Quando il gioco meccanico viene eliminato e l'encoder inizia a segnalare il movimento, il motore ha superato leggermente il punto di riferimento. Il controllore deve quindi invertire leggermente la rotazione per correggere la posizione e, in questa inversione, la zona morta di 0,1 gradi si ripresenta.
Il risultato è un ciclo limite: una piccola oscillazione sostenuta attorno alla posizione target che il controllore non può smorzare perché il gioco di accoppiamento rende discontinuo il modello dell'impianto. Su una superficie lavorata, ciò si manifesta come un caratteristico punto piatto o un segno di inversione direzionale. In un sistema a controllo di velocità, produce un'ondulazione di velocità alla frequenza di inversione.
Anche un gioco di soli 0,01 gradi, una quantità apparentemente trascurabile, può causare un degrado misurabile in un sistema di codifica ad alta risoluzione. Un codificatore a 5.000 linee ha una risoluzione nativa di 0,072 gradi per conteggio in quadratura; 0,01 gradi di gioco rappresentano all'incirca un conteggio di incertezza di posizione ad ogni inversione.
Perché la proprietà di assenza di gioco dell'accoppiamento di Oldham è fondamentale in questo caso
Il meccanismo a tenone e scanalatura del giunto Oldham crea un collegamento a innesto preciso, senza gioco angolare. Quando l'albero motore inverte la direzione, l'albero dell'encoder lo segue immediatamente, entro la tolleranza di gioco meccanico del giunto, che in un giunto Oldham miniaturizzato di precisione si misura in secondi d'arco, non in minuti d'arco.
Questa risposta immediata e priva di gioco significa che l'encoder segnala la posizione effettiva dell'albero in ogni momento, anche durante le inversioni di direzione. Il circuito di controllo riceve dati di feedback precisi e puliti e può operare alla larghezza di banda progettata senza i cicli di limitazione o le limitazioni di guadagno che il gioco imporrebbe.
Per confronto, anche un giunto a soffietto non presenta gioco, ma, come discusso in seguito, ha una limitazione critica nelle applicazioni con encoder che il giunto Oldham non ha.
Isolamento elettrico: protezione dell'elettronica dell'encoder
Gli encoder e i resolver rotativi sono strumenti elettronici di precisione. I loro dischi ottici interni, i sensori magnetici o gli avvolgimenti dei trasformatori sono progettati per funzionare in un ambiente elettrico pulito. Molti sono così sensibili che correnti parassite di pochi milliampere che fluiscono attraverso l'albero e l'involucro dell'encoder possono danneggiare l'elettronica interna o corrompere il segnale di uscita.
Nei sistemi azionati da motori elettrici, l'albero motore si trova spesso a un potenziale elettrico diverso da quello di terra a causa dell'accoppiamento capacitivo attraverso la capacità parassita tra l'avvolgimento del motore e il rotore. Gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) e i servoamplificatori che utilizzano frequenze di commutazione a modulazione di larghezza di impulso (PWM) di diversi kilohertz generano forme d'onda di tensione sull'albero particolarmente aggressive. Se l'encoder è collegato elettricamente all'albero motore tramite un giunto metallico, queste tensioni sull'albero possono generare correnti nei cuscinetti e transitori di commutazione attraverso la delicata elettronica dell'encoder.
Il giunto Oldham con disco centrale in polimero garantisce un isolamento galvanico completo tra l'albero motore e l'albero dell'encoder. Nessuna corrente elettrica può fluire tra i due alberi attraverso il giunto, poiché il disco in acetale o nylon è un isolante. Questa è una proprietà unica che nessun giunto interamente metallico può replicare senza l'aggiunta di elementi isolanti separati.
In pratica, questo isolamento elettrico elimina un'intera classe di guasti dell'encoder che si verificano regolarmente nei sistemi di azionamento che utilizzano accoppiamenti metallici: guasti prematuri dei cuscinetti dell'encoder, output corrotto a causa del rumore indotto e danni da scarica elettrostatica ai circuiti CMOS all'interno dell'alloggiamento dell'encoder.
Perché i giunti a soffietto non possono sostituire i giunti Oldham in questo caso
Anche i giunti a soffietto sono a gioco zero e sono ampiamente utilizzati nei collegamenti degli encoder. Tuttavia, presentano un punto debole critico in questa applicazione: trasmettono forze di reazione radiali ai cuscinetti interni dell'encoder in presenza di disallineamento laterale dell'albero.
I cuscinetti degli encoder e dei resolver sono in genere cuscinetti di precisione miniaturizzati: cuscinetti a sfere a gola profonda delle serie 6900 o 6800 con diametro interno di 10 mm o inferiore. Questi cuscinetti sono progettati per sopportare solo il precarico assiale applicato dal produttore dell'encoder per mantenere la posizione assiale del rotore. Non sono progettati per sopportare carichi radiali significativi.
Un giunto a soffietto con un offset laterale di 0,3 mm applica una forza di richiamo radiale di diversi Newton all'albero dell'encoder. Su un cuscinetto dell'encoder progettato per sopportare un precarico assiale di pochi Newton, questa forza radiale riduce drasticamente la durata del cuscinetto, potenzialmente da decine di migliaia di ore a poche centinaia di ore. Inoltre, aumenta la coppia di attrito che il giunto deve superare per azionare il rotore dell'encoder, il che può introdurre errori angolari dipendenti dalla velocità in alcuni tipi di encoder.
L'accoppiamento Oldham applica una forza radiale praticamente nulla ai cuscinetti dell'encoder, indipendentemente dallo spostamento laterale. Lo spostamento viene assorbito interamente dal disco scorrevole e i cuscinetti dell'encoder sono soggetti solo al precarico previsto. Per questo motivo i produttori di encoder raccomandano sempre gli accoppiamenti Oldham, o accoppiamenti che funzionano secondo lo stesso principio del disco scorrevole, per i loro prodotti.
Bassa inerzia: mantenimento della fedeltà della risposta dell'encoder
L'inerzia dell'accoppiamento si aggiunge direttamente all'inerzia che il rotore e l'albero dell'encoder devono accelerare e decelerare. In un sistema servoassistito che opera ad alta larghezza di banda — con accelerazioni dell'asse di 10 m/s² o superiori su una piattaforma lineare, corrispondenti a migliaia di gradi al secondo quadrato sull'albero dell'encoder — un accoppiamento ad alta inerzia agisce come un filtro passa-basso tra il movimento dell'albero e la posizione rilevata dall'encoder.
Gli accoppiamenti Oldham miniaturizzati, con i loro mozzi in alluminio leggero e il piccolo disco in polimero, presentano tra i valori di inerzia più bassi di qualsiasi tipo di accoppiamento a gioco zero nella stessa gamma di diametri del foro. Per le applicazioni con encoder, i valori di inerzia tipici sono compresi tra 0,1 e 1,0 g·cm² – sufficientemente bassi da avere un effetto trascurabile sulla fedeltà della risposta dell'encoder anche ad alte larghezze di banda del servo.
Scenari applicativi specifici
Albero motore verso encoder esterno (doppio feedback): Nei sistemi servoassistiti ad alte prestazioni, oltre all'encoder montato sul motore, a volte si utilizza un secondo encoder montato direttamente sul lato del carico (ad esempio, all'estremità di una vite a ricircolo di sfere). L'accoppiamento Oldham collega l'albero della vite a ricircolo di sfere a questo encoder lato carico, compensando qualsiasi disallineamento laterale tra l'asse della vite e l'asse centrale dell'encoder, fornendo al contempo un segnale pulito e privo di gioco che rende efficace il controllo a doppio feedback.
Tavola rotante con encoder angolare: Le tavole rotanti di alta precisione utilizzano un encoder angolare di grande diametro (come un dispositivo Heidenhain RON o SICK HIPERFACE) montato direttamente sull'albero di uscita della tavola. L'accoppiamento tra il perno del cuscinetto della tavola e l'ingresso dell'encoder deve essere sufficientemente rigido da evitare cedimento torsionale, assorbendo al contempo le eccentricità termiche e meccaniche del sistema di cuscinetti senza sovraccaricare l'encoder. A tale scopo vengono utilizzati giunti Oldham miniaturizzati con diametro interno compreso tra 20 e 50 mm.
Uscita del riduttore verso l'encoder di posizione: Molti robot industriali, attuatori rotativi e azionamenti a indicizzazione utilizzano un encoder sull'albero di uscita del riduttore anziché sull'ingresso del motore per misurare direttamente la posizione del carico. L'accoppiamento tra l'albero del riduttore e l'encoder deve tollerare l'eccentricità angolare e laterale del cuscinetto di uscita del riduttore, una funzione che l'accoppiamento Oldham gestisce con la sua capacità di offset laterale standard.
Codificatore di velocità del mandrino sulle macchine utensili: Nei torni e nei centri di lavoro si utilizza spesso un encoder sul mandrino per misurare la velocità del mandrino durante i cicli di filettatura e per fornire un feedback di override della velocità del mandrino. I cuscinetti del mandrino presentano un'eccentricità radiale molto maggiore rispetto a un cuscinetto di precisione per servomotori; un giunto Oldham assorbe questa eccentricità senza sovraccaricare l'encoder.
Guida alla selezione e all'installazione
Per le applicazioni di codifica e risoluzione, i seguenti parametri regolano in genere la selezione:
- Dimensioni del foro: Assicurarsi che il diametro dell'albero motore (albero della macchina) e quello dell'albero condotto siano compatibili (albero dell'encoder, in genere 6, 8 o 10 mm per gli encoder industriali standard). Molti giunti Oldham miniaturizzati consentono di realizzare fori di diverso diametro su ciascun mozzo.
- Valore di coppia: Le applicazioni con encoder richiedono una coppia molto bassa, in genere da 0,05 a 0,5 Nm per la maggior parte degli encoder industriali. Quasi tutti i giunti Oldham miniaturizzati sono più che adeguati in questo senso; la dimensione del foro e l'inerzia sono solitamente i fattori determinanti nella scelta, piuttosto che la capacità di coppia.
- Capacità di offset laterale: Specificare un giunto il cui disassamento nominale massimo sia almeno il doppio del disassamento di installazione previsto, al fine di mantenere un margine per le derive termiche e meccaniche durante la vita utile della macchina.
- Stile dell'hub: Per i collegamenti degli encoder si prediligono i mozzi a morsetto. Il requisito di gioco zero si estende all'interfaccia mozzo-albero: una vite di fermo che consente un micro-slittamento del mozzo sotto vibrazione produrrà rumore di posizione nell'uscita dell'encoder.
Durante l'installazione, il passaggio più importante è verificare che l'accoppiamento non sia sottoposto a compressione assiale tra l'albero motore e l'albero dell'encoder. La compressione assiale spinge i tenoni del disco contro le estremità delle scanalature del mozzo, creando un finecorsa rigido che trasmette la forza assiale ai cuscinetti dell'encoder. L'installazione corretta prevede un piccolo gioco assiale, in genere da 0,5 a 1,0 mm, tra il disco e ciascuna superficie del mozzo quando i mozzi sono serrati nelle loro posizioni finali.
Conclusione
L'accoppiamento Oldham non è solo una delle opzioni per le connessioni tra encoder e resolver, ma rappresenta la scelta tecnicamente superiore per la stragrande maggioranza di queste applicazioni. Il suo gioco nullo elimina le zone morte di posizione nei circuiti di retroazione. Il disco centrale in polimero fornisce un isolamento elettrico che protegge la delicata elettronica dell'encoder dalla tensione dell'albero e dalle correnti dei cuscinetti. Il meccanismo a disco scorrevole assorbe lo spostamento laterale senza sovraccaricare i cuscinetti miniaturizzati dell'encoder. Inoltre, la sua bassa inerzia preserva l'intera larghezza di banda del sistema encoder. Nessun altro tipo di accoppiamento standard combina tutte e quattro queste proprietà in un unico pacchetto compatto.
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