Montature a Moto Armonico: cosa sono, vantaggi e svantaggi
Se anche tu, come molti altri, ti sei imbattuto nelle montature con Harmonic Drive o a moto armonico e ti stai chiedendo cosa siano o perchè stiano iniziando ad attrarre l’attenzione degli astrofotografi… beh, sei nel posto giusto.
In questo articolo scopriremo insieme le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di questa ormai consolidata tecnologia che ha appena iniziato ad invadere il mondo dell’astrofotografia.
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1. Introduzione
L’astrofotografia, nella sua lenta ma travolgente evoluzione, ci sta viziando con dei salti tecnologici non indifferenti.
Prima è stata la volta dell’affermazione delle camere CMOS nei confronti dei longevi CCD e adesso sembrerebbe che anche le montature motorizzate “classiche” stiano per tremare.
Da una parte, infatti, abbiamo le montature motorizzate con riduttori di velocità a vite senza fine e trasmissioni a ingranaggi e dall’altra le nuovissime montature con riduttori a moto armonico.
Ma in cosa si distinguono principalmente le due tecnologie? Perché l’ultima è così promettente?
Forse perché è in grado di supportare dei carichi molto elevati senza contrappeso? O perché si tratta di un sistema privo di Backlash? Già, proprio cosi…
2. Montature, Viti senza fine e Backlash
Ammettiamolo: quando abbiamo iniziato ad avere a che fare con lunghe esposizioni e astrofotografia con camera guida è stato impossibile non sentire parlare di viti senza fine.
Questo perché oggi il 99% delle montature motorizzate disponibili sul mercato utilizza dei riduttori di velocità caratterizzati, appunto, dalla popolare vite senza fine e da trasmissioni a ingranaggi.
La maggior parte di questi schemi, purtroppo, è affetta dal noto problema del backlash, ovvero il gioco che si verifica tra due ingranaggi nel momento in cui abbiamo il cambio di direzione Fig.2.
Come sappiamo, il backlash emerge e diventa piuttosto fastidioso solo nel momento in cui utilizziamo un sistema di guida. Questo, infatti, correggendo il moto della Montatura, non fa altro che cambiare continuamente il senso di rotazione dei motori cadendo nella trappola del backlash e riducendo l’efficacia dello stesso sistema di guida.
Questo ha spinto i produttori più audaci ad integrare all’interno degli schemi costruttivi delle montature più costose delle trasmissioni a cinghia (belt drives) in grado di minimizzare il backlash.
Tuttavia, adesso altri produttori stanno iniziato a proporre al mercato delle montature con riduttori a moto armonico: una tecnologia molto compatta e che ha intenzione di farci dimenticare il backlash una volta per tutte.
3. Montature con Moto armonico: come funzionano
E’ vero, i riduttori a moto armonico esistono da decenni (sono stati inventati da Clarence Walton Musser nel 1955) e oggi sono già abbondantemente utilizzati tra le industrie a più alta precisione: l’industria aerospaziale e la robotica biomedica.
Soltanto recentemente, grazie ai costi più abbordabili, stanno iniziando a diffondersi anche nel campo dell’astrofotografia.
Il motivo di tanto successo lo troviamo probabilmente nel suo schema costruttivo che adesso – ovviamente🤩 – esploreremo insieme più da vicino.
Il cuore del riduttore a moto armonico è costituito semplicemente da 3 elementi Fig.3:
- una Spline Circolare: ovvero un elemento circolare fisso e dotato di una dentatura interna;
- un Spline Flessibile: ovvero una sorta di “tazza” con dentatura esterna e deformabile a cui viene collegato, tramite l’albero di uscita (output shaft), l’elemento che vogliamo far ruotare. La Spline Flessibile ha, solitamente, due denti in meno rispetto alla spline circolare;
- un Generatore di Onde: ovvero un componente ellittico che viene inserito all’interno della spline flessibile deformandola. Il generatore di onde è direttamente collegato al motore tramite l’albero di ingresso (input shaft).
La rotazione del motore viene trasmessa al generatore di onde, il quale, deformando la spline flessibile la costringe a ruotare dentro la spline circolare.
Dato che la spline flessibile ha due denti in meno rispetto alla spline circolare, ad ogni rotazione completa del generatore di onde, corrisponde una rotazione di soli due denti della spline flessibile.
Anche se queste ultime frasi possono sembrare uno scioglilingua vi assicuro che mi sono limitato a descrivere nel modo più semplice possibile il funzionamento di un riduttore armonico.
Ma adesso, lasciamoci dietro questi interessanti ma articolati tecnicismi ed iniziamo a nuotare tra i vantaggi e gli svantaggi delle montature a moto armonico.
4. Vantaggi e Svantaggi delle Montature a Moto Armonico
Beh ragazzi, il primo lo abbiamo già spoilerato alla grande ed è inutile girarci ancora intorno: il riduttore a moto armonico ha praticamente un backlash nullo per via del suo schema costruttivo. 😲
Inoltre, il riduttore a moto armonico ha una altissima coppia motrice. Questo si traduce in una capacità di carico senza (esatto, senza!) contrappesi abbastanza alta. E come se non bastasse, sfruttando i contrappesi è possibile aumentare il carico massimo di circa il 40%.
Ma dato che a noi piacciono grafici e numeri eccone alcuni di seguito che ci aiuteranno a scovare altri vantaggi e alcuni svantaggi da non sottovalutare.
Il grafico a sinistra in Fig.4 mostra la relazione tra capacità di carico con contrappesi e peso di decine di montature disponibili oggi in commercio.
Come è possibile osservare, le montature a moto armonico (punti rossi) hanno una capacità di carico più alta delle montature “tradizionali” (punti blu) a parità di peso. I punti rossi, infatti, sono sempre più in alto rispetto a quelli blu.
Questo vuol dire che il rapporto capacità/peso, delle montature a moto armonico fino ad oggi presenti sul mercato, è decisamente più alto. Quindi, se una montatura “tradizionale” pesasse 10 Kg e avesse un carico massimo (con contrappesi) di 18 Kg, probabilmente un’analoga montatura a moto armonico pesante 10 Kg riuscirebbe a caricare (con contrappesi) fino a 32 Kg.
Il grafico a destra della stessa Fig.4, invece, mette in luce un problema dei riduttori a moto armonico (Yanabe et al., 1990): l’errore periodico di tali sistemi è mediamente molto alto.
L’errore periodico (o Periodic Error) delle montature a moto armonico è, infatti, più del doppio rispetto alle montature “tradizionali” della stessa fascia di prezzo (3.000-6.000€) attestandosi tra i ±20” e i ±30”.
Anche se è più corretto osservare l’errore periodico in accoppiata al sensore astrofotografico e al tubo ottico che si stanno utilizzando possiamo dire, con discreta approssimazione, che le montature a moto armonico oggi sono poco adatte a setup che non prevedono sistemi di guida.
Discorso a parte per la Rainbow Astro RST-135E che, grazie alla presenza di un encoder integrato, riesce a correggere il PE portandolo a valori estremamente bassi (±3,5”).
Tra gli altri vantaggi troviamo un’alta velocità di slewing o puntamento (mediamente 5°/sec) Fig.5. Tra gli svantaggi, ovviamente, il costo oggi ancora molto elevato.
5. Conclusioni
Sul mercato oggi esistono meno di una decina di montature a moto armonico. Questa tecnologia sta pian piano entrando sugli scaffali degli shop e sicuramente a breve vedremo molti nuovi modelli popolare le pagine web.
Il particolare schema costruttivo dei riduttori a moto armonico gli permette di mantenere alta la compattezza e, allo stesso tempo, di raggiungere un’elevata capacità di carico anche senza contrappesi.
Queste sono ottime notizie per tutti gli astrofotografi itineranti che cercano montature leggere e facili da trasportare.
Inoltre, come abbiamo visto, le montature a moto armonico hanno praticamente zero backlash. Questo le rende particolarmente adatte ad essere “guidate” con estrema accuratezza.
Tutte queste note positive, però, lasciano spazio ad un errore periodico piuttosto alto (maggiore di ±20”) che costringe all’utilizzo di un sistema di guida anche con lunghezze focali moderate.
I primi modelli disponibili oggi sul mercato, inoltre, hanno un costo decisamente fuori dal budget di molti.
Insomma, come abbiamo visto la tecnologia a moto armonico è incredibilmente promettente per via della sua comodità (niente contrappesi!) e compattezza anche se non riesce a liberarci dai sistemi di guida. 😕
Bisognerà stare a guardare ed aspettare le prossime generazioni. Sicuramente ne vedremo delle belle! 😉