Se il meccanismo di sollevamento (lift) del vostro robot FIRST Tech Challenge (FTC) si estende senza problemi per i primi dieci centimetri per poi bloccarsi bruscamente a metà corsa, le vostre guide non sono difettose. Vi trovate di fronte a uno di due prevedibili problemi meccanici: la riduzione della superficie di contatto che moltiplica le forze normali sui cuscinetti, oppure un percorso dei cavi che tira il carrello lateralmente invece che parallelamente alla traiettoria della guida.

Durante le partite, le guide lineari operano sotto forti carichi a sbalzo. Quando un sistema di raccolta (intake) o una pinza si estende verso l'esterno, la gravità genera un momento torcente (un momento meccanico) lungo l'intero gruppo di scorrimento. Man mano che ciascuno stadio si allunga, la sovrapposizione fisica tra segmenti adiacenti si riduce. Poiché il momento meccanico è dato dalla forza moltiplicata per la distanza, dimezzare la distanza di sovrapposizione raddoppia la forza normale sui cuscinetti di estremità. Se il sistema di tiraggio dei cavi aggiunge anche solo un piccolo vettore laterale o fuori asse, l'attrito supera la coppia del motore e il sistema di sollevamento si blocca.

Configurazione continua contro configurazione a cascata: il calcolo dell'attrito

Il modo in cui viene instradato il cavo di sollevamento determina la distribuzione della coppia del motore e l'accumulo di attrito lungo i vari stadi. La maggior parte delle squadre FTC costruisce sollevatori continui o a cascata utilizzando guide commerciali (come le guide goBILDA Viper, le guide ultra-planari REV o le guide a ricircolo di sfere SAR3310).

In un sollevatore continuo, un unico cavo ininterrotto parte dal rocchetto, passa su pulegge in cima e in fondo a ogni stadio intermedio e si ancora al carrello finale. Sebbene sia facile da assemblare con componenti standard, il sistema continuo soffre di una sequenza di estensione imprevedibile degli stadi. Lo stadio con minore resistenza si sposta per primo. Quando questo stadio raggiunge la massima estensione, lo stadio successivo assume bruscamente il carico. Questo improvviso spostamento del baricentro fa spesso intraversare lo stadio intermedio (disallineamento), bloccando i cuscinetti contro la guida.

In un sollevatore a cascata, ogni stadio dispone di un cavo indipendente ancorato allo stadio sottostante. Quando lo Stadio 1 si estende di 100 mm, lo Stadio 2 è costretto a estendersi di 100 mm contemporaneamente. I sollevatori a cascata impediscono spostamenti improvvisi del peso perché tutti gli stadi avanzano a velocità uniforme, ma richiedono una coppia notevolmente maggiore al riduttore e un tensionamento preciso per ciascuno stadio.

Perché il blocco si verifica a metà corsa

Il blocco a metà corsa è quasi sempre riconducibile a tre cause fisiche:

• Tiro del cavo non parallelo: se la corda di sollevamento devia verso l'interno o verso l'esterno anche solo di 3-5 gradi tra la puleggia e il punto di ancoraggio dello stadio, la tensione del cavo esercita una forza laterale sul carrello. A riposo, il precarico dei cuscinetti resiste a questa forza. A metà estensione, dove la sovrapposizione delle guide è ridotta, tale forza laterale inclina il carrello nel binario (fenomeno noto come racking o disallineamento).
• Moltiplicazione dell'attrito su boccole fisse: ogni curva di 90 gradi attorno a un distanziale statico o a una boccola in plastica di bassa qualità genera attrito ($F_{\text{out}} = F_{\text{in}} e^{\theta\times\text{coefficiente di attrito}}$). Nel momento in cui il cavo continuo si snoda attraverso quattro stadi intermedi, oltre la metà della potenza del motore viene dissipata dall'attrito del percorso invece che impiegata per sollevare la massa.
• Sovrapposizione del cavo sul rocchetto: quando un cavo in UHMWPE (come il cordino REV o il generico Dyneema/Spectra) si avvolge su se stesso in modo irregolare sull'albero motore nudo, il diametro effettivo del rocchetto varia dinamicamente. Ciò causa una differenza di scorrimento tra il cavo di estensione e quello di ritrazione, creando allentamenti o eccessive sovratensioni a metà corsa.

Come montare correttamente i cavi senza lavorazioni su misura

Non servono piastre CNC personalizzate o componenti esotici per eliminare i blocchi delle guide. L'applicazione di rigorosi principi di montaggio al banco risolve quasi tutti i problemi dei sistemi di sollevamento.

1. Mantenere i cavi perfettamente paralleli

Ogni tratto di corda compreso tra una puleggia e un punto di ancoraggio deve essere rigorosamente parallelo al profilato della guida sia sull'asse X che sull'asse Y. Utilizzate distanziali e spessori sotto le pulegge per assicurarvi che il cavo esca dalla gola della puleggia esattamente sullo stesso piano della vite di ancoraggio dello stadio. Un cavo che tira anche solo leggermente fuori asse agisce come un freno estremamente efficace.

2. Eliminare l'allentamento dei cavi con un tensionamento dinamico

I sollevatori continui richiedono un cavo di ritorno per far scendere la guida in modo affidabile. Poiché la corda si allunga sotto carico e i rocchetti raramente si avvolgono in modo perfettamente simmetrico, un sistema rigido tenderà ad allentarsi o a bloccarsi. Terminate il cavo di ritorno su una molla di tensionamento ad alta resistenza o su un breve anello di tubo chirurgico ad alto modulo ancorato al carrello. La molla assorbe le variazioni di diametro del rocchetto mantenendo una tensione costante del cavo su tutte le pulegge.

3. Standardizzare l'uso di pulegge con cuscinetti a sfera

Non fate mai passare il cordino di sollevamento su colonnine distanziali, spessori in alluminio o canali stampati in 3D privi di cuscinetti. Utilizzate pulegge dedicate con cuscinetti a sfera o piccoli cuscinetti flangiati (come quelli delle serie MR105 o F688 inseriti tra rondelle). La differenza di attrito volvente tra un economico cuscinetto flangiato e un distanziale fisso è di circa un ordine di grandezza.

4. Utilizzare esclusivamente lubrificanti a secco

Non spruzzate WD-40, spray siliconici liquidi o grasso a base di petrolio sulle piste delle guide FTC. Nei box di gara o sul pavimento di un'aula, i lubrificanti umidi attirano polvere, trucioli di plastica e residui di schiuma degli elementi di gioco, creando una pasta abrasiva che distrugge le piste delle sfere e i pattini in nylon. Pulite i profilati delle guide con alcool isopropilico e applicate uno spray al PTFE a secco (come il lubrificante al Teflon a secco), lasciandolo asciugare completamente fino a formare una pellicola opaca prima del riassemblaggio.

5. Vincolare l'avvolgimento sul rocchetto

Evitate l'avvolgimento in un unico punto su un albero esagonale nudo. Utilizzate rocchetti scanalati o verricelli a doppio tamburo in cui il cavo di estensione si srotola alla stessa identica velocità con cui si avvolge il cavo di ritrazione. Se utilizzate rocchetti standard stampati in 3D, inserite pareti divisorie nel modello per separare il cavo di sollevamento da quello di ritorno, impedendo che si accavallino sotto carico.

Se state ripensando la trasmissione e la geometria del sollevatore per la prossima stagione, esplorate le nostre configurazioni meccaniche collaudate e i nostri kit nella sezione di robotica FTC.