Riduttore RV vs. Azionamento Armonico nei Robot ABB
Quando alcune persone entrano per la prima volta in contatto con i robot industriali ABB, lo sguardo è subito attratto dagli armadi di controllo, dai motori servo e dal dispositivo di programmazione manuale (teach pendant). In realtà, alla fine, il movimento di un robot – se sia stabile o meno, preciso o meno, duraturo o meno – dipende da ciò che si nasconde nelle giunzioni: ovvero da alcuni riduttori.
La maggior parte dei tecnici addetti alla manutenzione dei robot ABB ha sperimentato questo problema: dopo alcuni anni di utilizzo, il robot comincia gradualmente a manifestare deviazioni della traiettoria, saldature instabili, vibrazioni, rumori anomali e scostamenti nella posizione di riferimento. Dopo aver eseguito una serie di controlli, spesso si scopre che il riduttore di velocità installato nelle giunzioni è danneggiato. Nella testa dei robot ABB le due tipologie di riduttore più comunemente impiegate sono il riduttore RV e il riduttore armonico.
I clienti chiedono spesso: «Qual è la differenza tra questi due riduttori?», «Perché ABB deve fare questo? Perché ABB utilizza riduttori RV per alcuni alberi e riduttori armonici per altri?», «Quale dei due è più duraturo?», «Quale dei due è più preciso?». Oggi vi parleremo, esclusivamente sulla base dell’esperienza maturata in officina. 
Il riduttore nel robot, alla fine, serve a cosa?
Motori servo per robot industriali: aumentano la velocità, ma c'è un problema fatale: una velocità elevata non equivale necessariamente a una coppia elevata. Durante il lavoro reale, il robot richiede bassa velocità, alta coppia, elevata precisione e, al contempo, un’uscita stabile. Rifletteteci: durante la saldatura, seguendo il cordone di saldatura, il movimento deve essere particolarmente fluido; quando manipola pezzi da centinaia di libbre, i giunti devono sopportare agevolmente il carico senza tremare. Il riduttore ha il compito di abbassare la velocità eccessiva del motore, amplificare la coppia e garantire inoltre che l’albero di uscita si arresti nella posizione esatta. Pertanto, è possibile considerare il riduttore come un «amplificatore di forza» e un «custode della precisione» nei giunti. In molti robot ABB, non appena il riduttore si usurà, lo si avverte immediatamente: la traiettoria diventa sempre più instabile, l’errore di riposizionamento si accentua progressivamente, il braccio inizia a vibrare, le fasi di accelerazione e decelerazione diventano irregolari una dopo l’altra, la qualità della saldatura peggiora sensibilmente e, infine, i punti critici attivano direttamente allarmi fino all’arresto completo.
Riduttore RV: supporto solido e resistente alla deformazione
Qual è il ruolo del riduttore RV? Molte persone lo chiamano anche riduttore cicloidale. La caratteristica migliore di questo componente è una sola: la sua rigidità, in particolare la resistenza alla deformazione. Viene utilizzato nei robot industriali pesanti per azionare bracci meccanici, quindi quelli impiegati per saldatura, movimentazione, pallettizzazione e simili — ad esempio i grandi robot ABB — specialmente nelle giunzioni più sollecitate, come la base, il braccio e il gomito; nella zona addominale sono generalmente installati i riduttori RV. Pensateci: quando l’intero braccio di un grande robot ABB si muove, l’inerzia della forza che deve essere assorbita dai cuscinetti alla base è enorme. Se in quel punto il riduttore non fosse sufficientemente rigido, l’intero robot lavorerebbe come se fosse ubriaco, oscillando instabilmente. La parte più forte del riduttore RV è proprio questa ‘ossatura’ rigida.
Perché il riduttore RV è così resistente? Ciò è legato alla sua struttura interna. Un comune riduttore a ingranaggi può avere, in un dato momento, uno o due denti impegnati nella trasmissione del carico, ma il riduttore RV è diverso: in esso molti denti sono contemporaneamente a contatto, distribuendo così uniformemente la forza. È come se un gruppo di persone sollevasse insieme un oggetto pesante, anziché affidarsi a una sola persona per portarlo. In questo modo, la forza risulta uniformemente distribuita, la resistenza agli urti è elevata e il rischio di rottura dei denti è ridotto; inoltre, il riduttore mantiene stabilità anche durante lunghi periodi di lavoro gravoso. Questo spiega perché molti riduttori RV per robot industriali pesanti ABB possono funzionare per numerosi anni. Tale durata è particolarmente evidente nei reparti di saldatura automobilistica: i robot saldatori ABB operano quotidianamente per più di dieci ore, ruotando ininterrottamente per diversi anni; spesso, infatti, il primo componente a cedere non è il controllore, bensì le articolazioni della parte meccanica, che lentamente si usurano generando giochi. In generale, tuttavia, la vita utile complessiva del riduttore RV è davvero lunga.
Riduttore armonico: nato per un'«estrema precisione».
Il riduttore armonico rappresenta un approccio completamente diverso rispetto al riduttore RV: quest’ultimo è progettato per essere «costruito», mentre il riduttore armonico è progettato per garantire un'«estrema precisione». Il riduttore armonico presenta caratteristiche particolarmente evidenti: dimensioni ridotte, peso contenuto, gioco (backlash) estremamente basso — talmente basso da risultare quasi trascurabile — e una precisione impressionante. Pertanto, osservando il polso dei robot ABB, in particolare quegli assi situati nelle sezioni più vicine all’estremità strumentale — ad esempio nelle applicazioni di verniciatura, montaggio di precisione, presa di piccoli componenti o nell’industria elettronica — si nota che il polso è quasi interamente equipaggiato con riduttori armonici. Lo spazio disponibile in tale zona è già molto limitato e, contemporaneamente, i requisiti di precisione nel movimento sono estremamente elevati; il riduttore armonico si rivela quindi la soluzione ideale.
Perché il riduttore armonico può essere così preciso? La chiave sta nel fatto che presenta quasi nessun gioco di trasmissione, che è ciò che comunemente chiamiamo "backlash". Molti riduttori ordinari presentano questo problema: quando l'estremità motore compie un piccolo movimento, l'uscita non segue immediatamente tale movimento, ma vi è sempre un certo gioco. Maggiore è questo gioco, maggiore sarà l'incertezza nella localizzazione del robot. I riduttori armonici si basano su un principio di trasmissione flessibile che riduce il backlash a un livello estremamente basso. È per questo motivo che si percepisce particolarmente fluida la rotazione del polso del robot ABB, senza quella sensazione di gioco o allentamento. Ciò risulta particolarmente evidente nei robot per verniciatura: anche una leggera vibrazione della traiettoria della pistola a spruzzo provoca immediatamente striature sulla superficie verniciata, spessori irregolari, effetto 'buccia d'arancia' o perdite di spruzzo; pertanto, la precisione del riduttore armonico al polso del robot per verniciatura è di fondamentale importanza.
Perché ABB non utilizza semplicemente un unico riduttore?
Allora, perché ABB non utilizza semplicemente entrambi i tipi di riduttori, installando un riduttore RV sull’asse grande e uno armonico sull’asse piccolo? Per dirla senza peli sulla lingua, i robot industriali necessitano intrinsecamente sia di robustezza sia di precisione, e queste due caratteristiche sono rispettivamente garantite dai riduttori RV e da quelli armonici. L’approccio progettuale di ABB prevede generalmente l’impiego del riduttore RV per i giunti maggiori nella parte anteriore e di quello armonico per i giunti minori nella parte posteriore. In questo modo, la rigidità complessiva consente di stabilizzare carichi pesanti, mentre il movimento finale risulta sufficientemente preciso e il controllo della traiettoria è altresì fluido. In effetti, la maggior parte dei robot industriali attualmente presenti sul mercato segue proprio questo approccio consolidato.
Tra i riduttori RV e quelli armonici, quale ha maggiori probabilità di guastarsi?
Qual è quello più facile da rompere? È una domanda che i clienti pongono spesso. In termini realistici, non possiamo semplicemente affermare chi sia più delicato dell’altro, poiché operano in ambienti diversi. Tuttavia, sulla base dell’esperienza pratica maturata nelle officine di riparazione, il riduttore armonico risulta relativamente più «delicato», anche se solo leggermente. Ciò dipende dal fatto che la ruota flessibile al suo interno si trova costantemente in uno stato di deformazione elastica; pertanto, un movimento oscillatorio ad alta frequenza protratto nel tempo provoca gradualmente fenomeni di fatica. In particolare, azioni ad alta frequenza e bassa ampiezza, eseguite ininterrottamente giorno e notte, oppure cicli frequenti di avvio-fermata, accelerano l’usura del riduttore armonico. Il riduttore RV, invece, è più sensibile agli urti dovuti a carichi elevati: ad esempio, collisioni del robot, sovraccarichi, arresti di emergenza o, ancora, funzionamento prolungato in condizioni di elevata inerzia, quando risulta difficile per il sistema fornire un adeguato supporto. In questi casi, è facile che ingranaggi e cuscinetti subiscano danni interni non immediatamente evidenti.
Quali sono i sintomi premonitori di un cambio in fase di guasto?
Sul campo, il precursore dei problemi del riduttore è particolarmente evidente, ma molte persone inizialmente pensano che il problema sia dovuto al servo o al motore; in realtà, invece, è il riduttore. Se devo indicare quali sintomi richiedono di considerare il riduttore come causa, eccoli: la posizione del robot diventa sempre meno precisa, ed è questo il segnale più tipico. In particolare, nei robot per saldatura, all’inizio il punto di saldatura è corretto, ma successivamente si verifica un’allontanamento progressivo; dopo una nuova calibrazione del punto zero, il funzionamento risulta corretto per uno o due giorni, dopodiché il problema ricompare: in nove casi su dieci, ciò è dovuto all’usura del gioco nel riduttore. Il movimento del robot inizia a tremare, specialmente a bassa velocità; in alcuni robot ABB, ad esempio, quando si utilizza la manopola per muovere lentamente il braccio, si avverte una sensazione di scatto ripetuto e di vibrazione, non sufficientemente fluida: molto probabilmente l’usura interna è già avanzata. I giunti emettono rumori anomali, come clic, stridii metallici o colpi sordi: non sottovalutateli. In particolare, quando i cuscinetti del riduttore RV sono danneggiati, il rumore è particolarmente evidente; tuttavia molte persone continuano a utilizzare il robot nonostante ciò, fino a provocarne il completo guasto. Un ulteriore sintomo è il surriscaldamento dei giunti: una volta che il riduttore è usurato, l’attrito aumenta notevolmente e la temperatura dell’albero risulta chiaramente superiore rispetto agli altri componenti; in casi gravi, si può addirittura percepire l’odore caratteristico della degradazione della grassa.
Come mantenerlo in modo da prolungarne la durata?
La manutenzione di questo componente è spesso trascurata dalle fabbriche, che tendono a concentrarsi solo sulla parte meccanica ritenendo sufficiente che il sistema si accenda correttamente in linea. Tuttavia, il riduttore del robot è estremamente sensibile a periodi prolungati di mancata attenzione. Ciò vale in particolare per i robot ABB a turnazione tripla: in genere ricordiamo ai clienti alcune semplici indicazioni: percepire le variazioni di temperatura, ascoltare i rumori anomali, avvertire le vibrazioni e osservare se le differenze rispetto al giorno precedente sono significative; inoltre, la lubrificazione va effettuata regolarmente, in base alle condizioni effettive. Molti riduttori non vengono improvvisamente dichiarati fuori uso: in realtà, subiscono un’usura progressiva per lungo tempo, ma nessuno se ne accorge. Una diagnosi precoce potrebbe consentire di sostituire semplicemente un cuscinetto o di cambiare l’olio, evitando così che l’intero riduttore debba essere smaltito come rottame.
Il calo di precisione ha la sua origine, nella maggior parte dei casi, nel riduttore
Molti robot ABB presentano una precisione ridotta, ma la causa non risiede necessariamente nell’encoder o nel motore. Infatti, anche se il sistema di controllo e i calcoli eseguiti sono accurati, se la parte meccanica presenta un gioco intrinseco, l’azione finale risulterà comunque deviata. Questo spiega perché, in alcuni robot ABB, l’encoder funziona correttamente, il motore è perfettamente operativo e nessuno ha modificato i parametri, tuttavia la traiettoria risulta instabile. Durante lo smontaggio dei giunti, si scopre che il riduttore è usurato. Ciò è particolarmente frequente nei robot per saldatura in servizio da diversi anni.
Riparare o sostituire il riduttore
Se riparare o sostituire il cambio dipende dalla situazione effettiva. In alcuni casi, come l'usura dei cuscinetti, il malfunzionamento della lubrificazione e una leggera quantità di gioco, è possibile effettuare una riparazione. Tuttavia, se gli ingranaggi interni sono già rotti, la ruota flessibile è affaticata e rotta oppure l'usura interna è molto grave, spesso risulta più conveniente economicamente sostituire direttamente il cambio con uno nuovo. Ciò avviene perché i costi derivanti dall'arresto del robot sono spesso molto superiori al costo del cambio stesso. Questo è particolarmente vero nelle linee automobilistiche, dove un solo giorno di fermo è sufficiente a coprire il costo di diversi riduttori.
