Riflettori sui Collettori Rotanti di Servotecnica: I suggerimenti di Riccardo Francazi su come integrare i collettori rotanti sulle vostre macchine.

Bentornati al focus sugli Slip Ring di Servotecnica, la nostra serie di interviste che offre uno sguardo dietro le quinte di coloro che guidano l’innovazione nella tecnologia dei collettori rotanti qui in Servotecnica. In questa edizione, incontriamo Riccardo Francazi, Responsabile del Team di Ricerca e Sviluppo di Servotecnica, per capire cosa significhi davvero integrare un collettore rotante in una macchina e perché le decisioni prese in questa fase definiscano tutto ciò che segue.

D: Riccardo, grazie per averci dedicato del tempo. Ci può raccontare un po’ del suo percorso e del suo ruolo in Servotecnica?

Certo. Sono in Servotecnica da undici anni, avendo iniziato come Ingegnere Applicativo prima di passare al mio ruolo attuale alla guida del team R&S. Quel percorso è stato utile, perché ho trascorso diversi anni lavorando direttamente con i clienti affrontando le sfide relative all’applicazione ed integrazione dei nostri prodotti sulle loro macchine, prima di spostare l’attenzione sul lato prodotto. Ciò mi permette di comprendere abbastanza bene entrambe le problematiche.

Il mio lavoro quotidiano ora prevede lo sviluppo di nuove soluzioni, ma le problematiche relative all’integrazione arrivano ancora regolarmente sulla mia scrivania. Prima siamo coinvolti dai clienti nel processo di progettazione, migliore tende ad essere il risultato.

D: Quando i clienti vengono da lei con un progetto di integrazione, cosa si trova di solito al centro della conversazione?

La maggior parte delle volte, sanno già di aver bisogno di un collettore rotante. Quello che cercano di capire è dove si inserisce e come si comporta una volta che è integrato all’interno della macchina. Questi sono due problemi molto diversi, ma entrambi importanti.

Il primo è una questione meccanica: come si posiziona il collettore rotante all’interno della geometria complessiva, come viene montato, come interagisce con l’albero, la struttura meccanica ed i componenti circostanti? Il secondo è una questione a livello di sistema: come vengono trasferiti i segnali e la potenza elettrica attraverso l’interfaccia rotante, e cosa succede alla qualità del segnale e all’affidabilità nelle reali condizioni operative?

Quando entrambe le domande vengono affrontate insieme, in anticipo e con le informazioni giuste, l’integrazione tende ad andare avanti senza intoppi. Quando vengono trattate separatamente, o lasciate alla fine del progetto, si iniziamo a vedere i problemi.

D: Quali sono gli errori di integrazione più comuni che osserva nella pratica?

Il più frequente è quello di trattare il collettore rotante come l’ultimo componente da definire e scegliere. La macchina viene progettata, la struttura rotante viene definita, l’architettura elettrica viene elaborata, e poi qualcuno si accorge che il collettore rotante deve adattarsi ad uno spazio che non era mai stato effettivamente previsto e progettato per esso.

A quel punto, i vincoli sono già fissati. Si cerca di far rientrare una soluzione in un contesto che non è mai stato progettato per accogliere il collettore rotante. Questo porta spesso a dover accettare compromessi: un’unità che non ha le dimensioni e la geometria giusta, o un tipo di montaggio che non è ideale per l’affidabilità a lungo termine.

Il secondo errore è mescolare diversi tipi di segnale senza una logica. Gli ingegneri a volte aggiungono circuiti uno dopo l’altro (un canale di potenza qui, un circuito di segnale per un sensore lì, forse una linea dati ad alta velocità più tardi) senza pensare a come questi circuiti interagiscono elettricamente tra loro. All’interno di un collettore rotante, se potenza e segnali non sono adeguatamente separati e schermati, si creano problemi di rumore e interferenza molto difficili da risolvere una volta che il progetto è congelato.

Entrambi questi problemi sono evitabili, ma richiedono di considerare il collettore rotante come parte importante ed integrante del sistema, non come un componente che può essere aggiunto alla fine.

D: Parliamo prima dell’aspetto meccanico. Quali sono le considerazioni chiave di integrazione da un punto di vista puramente fisico?

La geometria della macchina è il punto di partenza. I collettori rotanti sono fondamentalmente dei componenti cilindrici che ruotano attorno ad un asse, quindi la prima domanda è sempre: dov’è quell’asse nella macchina, e quale spazio è disponibile intorno ad esso?

Se c’è un albero centrale, un collettore rotante con foro passante è spesso l’architettura più naturale. Si monta sull’albero, consente ad altri servizi di passare attraverso il centro e mantiene l’integrazione pulita. Utilizziamo collettori con foro passante in molti settori (robotica, packaging, tavole rotanti, turbine eoliche) proprio perché molte macchine hanno un albero rotante centrale che deve anche diventare l’asse del collettore rotante.

Se non c’è un albero, o l’albero è molto piccolo, la versione capsule potrebbe essere più appropriata. Questa è più compatta, cilindrica e ben si adatta ad applicazioni in cui la priorità è avere un alto numero di circuiti in un ingombro ridotto.

Il montaggio è un altro punto che merita attenzione fin dall’inizio del progetto. Il modo in cui il collettore rotante è fissato alla struttura statica della macchina influisce sul suo allineamento, sulla coppia di trascinamento e sulla sua durata a lungo termine. Un collettore rotante montato in modo impreciso, anche solo leggermente disassato, si deteriora più velocemente e può introdurre rumore elettrico che non ha nulla a che vedere con il componente stesso. Chiediamo sempre di visionare il sistema di montaggio, non solo l’ingombro dimensionale.

D: E dal punto di vista elettrico: su cosa devono concentrarsi i progettisti quando devono far passare potenza e segnali elettrici attraverso un’interfaccia rotante?

Il principio fondamentale è che un collettore rotante dovrebbe essere considerato come un sistema che è attraversato da segnali di varia natura, non come un insieme di circuiti indipendenti tra loro che condividono casualmente un alloggiamento. Tutto all’interno interagisce, e le decisioni che si prendono sulla configurazione determinano se queste interazioni siano inesistenti, accettabili o problematiche.

La cosa più importante è capire cosa si sta effettivamente trasmettendo. Circuiti di potenza, segnali analogici o digitali, dati ad alta velocità: ognuno di questi circuiti ha caratteristiche e necessità diverse in termini di schermatura e separazione. Quando questa varietà di circuiti è presente, il modo in cui il collettore rotante viene progettato e costruito deve tenerne conto.

In Servotecnica progettiamo la schermatura, la messa a terra e la separazione fisica dei circuiti nel collettore rotante fin dall’inizio, evitando così di dover correre ai ripari successivamente. L’obiettivo è che l’interfaccia rotante sia il più possibile elettricamente “trasparente”, in modo che i segnali arrivino dall’altra parte senza interferenze, come se non ci fosse di mezzo alcun collettore rotante.

Le difficoltà arrivano quando si continua ad aggiungere circuiti ad una configurazione già esistente senza rivedere l’architettura complessiva. È allora che si inizia a sentire parlare di interruzioni o interferenze nella trasmissione dei segnali o degradazione degli stessi che non si riesce a spiegare. Problemi spesso imputati al collettore rotante ma che sono in realtà causati da un cattivo utilizzo dello stesso.

D: Può condividere un progetto di integrazione reale che illustri come questi problemi e la loro soluzione si concretizzano nella pratica?

Un progetto che mi viene in mente riguardava una macchina per il confezionamento. Il cliente aveva un collettore rotante che doveva trasportare sia potenza elettrica per le resistenze di riscaldamento sia il segnale per il monitoraggio della temperatura: il tutto montato su un rullo rotante di dimensioni relativamente ridotte. Inoltre, la macchina funzionava praticamente ventiquattro ore al giorno.

La sfida non era solo integrare il collettore rotante in uno spazio decisamente ridotto. Si trattava di garantire che i circuiti di potenza e di segnale potessero coesistere senza che la potenza influenzasse la lettura dei sensori di temperatura. In una macchina che funziona continuamente ad alta velocità, anche piccoli problemi di rumore elettrico sui circuiti dei sensori si traducono direttamente in problemi di qualità del processo d’imballaggio.

Abbiamo lavorato con il cliente fin dalle prime fasi per definire una soluzione che separasse fisicamente i circuiti di potenza e di segnale all’interno del collettore rotante e che utilizzasse una schermatura appropriata. Il montaggio è stato progettato insieme alla struttura della macchina in modo che la coppia di trascinamento fosse gestita correttamente. Il risultato è stato un collettore rotante integrato in modo preciso, che ha funzionato senza manutenzione per l’intero ciclo operativo della macchina e che non ha richiesto modifiche al suo sistema di motion control per compensare le possibili interferenze elettriche.

Questo buon risultato è possibile solo quando l’integrazione viene trattata come un problema di progettazione, non di installazione.

D: Che ruolo gioca l’ambiente operativo nella pianificazione dell’integrazione?

Un ruolo molto più grande di quanto la maggior parte dei progettisti si aspetti inizialmente. L’ambiente determina non solo quale protezione necessita il collettore rotante (tenuta, grado di protezione, selezione dei materiali) ma anche come il collettore rotante si comporta meccanicamente ed elettricamente nel tempo.

La temperatura è un buon esempio. I componenti di un collettore rotante che opera in un ambiente con grandi variazioni di temperatura avranno un’espansione meccanica diversa tra loro. Se questo non viene considerato nella progettazione meccanica e nella selezione dei materiali, si ottengono variazioni della pressione di contatto spazzola-anello, variazioni dell’attrito che si traducono in scarsa affidabilità che sembra dovuta a problemi di contatto ma che in realtà è di natura strutturale.

Le vibrazioni sono un altro aspetto. Molte macchine industriali generano vibrazioni che si propagano dalla struttura meccanica al collettore rotante. Se il montaggio non è progettato per gestire le vibrazioni, o se il collettore rotante stesso non è meccanicamente dimensionato per tale livello di vibrazione, la qualità del contatto si degrada nel tempo piuttosto rapidamente o il collettore stesso cede meccanicamente. I nostri progettisti chiedono sempre informazioni sull’ambiente e sul livello di vibrazione, perché è uno dei fattori che più frequentemente sorprende i clienti, concentrati invece principalmente sulle specifiche elettriche.

Per ambienti difficili (aree di lavaggio, installazioni all’esterno, atmosfere corrosive) la scelta della tenuta e dell’alloggiamento diventa critica. Per risolvere tali problematiche Servotecnica produce unità con grado di protezione IP65, con carcassa in acciaio inossidabile e con trattamenti superficiali speciali nel caso vi sia una esposizione ad agenti chimici agressivi. Ne consegue che il livello di protezione deve essere definito nella fase di progettazione e non successivamente.

D: Qual è il consiglio più importante che si sente di dare ai progettisti che iniziano ad affrontare la problematica d’integrazione di collettori rotanti sulle loro macchine?

Coinvolgeteci in anticipo e portateci il quadro completo dell’applicazione fin dall’inizio.

Quando un cliente viene da noi con una descrizione completa della sua applicazione (la geometria meccanica, i requisiti elettrici, l’ambiente operativo, il ciclo di lavoro, i vincoli di accesso per la manutenzione, l’ambiente operativo) possiamo fornire una soluzione che si adatti bene alla sua macchina piuttosto che una che debba essere poi rivisitata.

Più dettagli abbiamo in anticipo, meno compromessi sono poi necessari. E nell’integrazione i compromessi tendono ad accumularsi: un montaggio non corretto porta ad un’usura più rapida, un’usura più rapida porta a fermi macchina non programmati, i fermi macchina non programmati portano ad un aumento dei costi di manutenzione e dei costi di produzione.

Il collettore rotante dovrebbe essere il componente che rende possibile la rotazione continua della macchina senza limitarne la funzionalità ed affidabilità. Quando l’integrazione viene eseguita correttamente fin dall’inizio, è esattamente questo il goal che si ottiene. Oltre trent’anni di presenza in questo settore significa che quasi certamente abbiamo già affrontato una sfida simile alla vostra: questa esperienza noi la mettiamo a disposizione dei nostri clienti.