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Ciao, mi chiamo Timon Moser e, insieme ad Alexander Moldaschl e Florian Fafilek del Dipartimento di Progettazione e Costruzione Meccanica dell’HTL Hollabrunn, in Austria, abbiamo sviluppato un cubo giroscopico autobilanciante come parte della nostra tesi di diploma.
L’idea: un cubo che semplicemente non cade
Il progetto non è iniziato con un tipico problema quotidiano, ma con una sfida tecnica: è possibile stabilizzare un cubo utilizzando ruote di reazione interne? L’idea si è poi evoluta in un Cubli perfettamente funzionante: un sistema compatto che combina progettazione meccanica, elettronica e ingegneria dei controlli.
Un Cubli è un cubo giroscopico in grado di bilanciarsi su uno spigolo o un vertice utilizzando volani rotanti. Un sensore rileva la posizione del cubo, un microcontrollore elabora i dati e controlla i motori. Modificando la velocità di rotazione dei volani, si generano coppie di reazione che aiutano a ripristinare l’equilibrio del cubo.
Per il team, il progetto è stato particolarmente entusiasmante perché combinava diverse discipline: meccanica, elettronica, software e ingegneria dei controlli. Ero particolarmente interessato a lavorare a un progetto che non fosse solo teorico, ma che potesse essere effettivamente costruito e fatto funzionare.
Da una configurazione di test 2D a un Cubli 3D
Prima di costruire il cubo 3D completo, il nostro team ha sviluppato una configurazione di test bidimensionale. Questo ha ridotto la complessità a un singolo asse di inclinazione e ha reso il principio di base più facile da controllare: un telaio, un motore, una ruota di reazione e un asse di rotazione definito.
Questo passaggio intermedio è stato fondamentale. La configurazione 2D ha aiutato a comprendere il comportamento di una singola ruota di reazione, a osservare la distribuzione della massa e a identificare potenziali problemi di progettazione in una fase iniziale. Solo allora il principio è stato trasferito sui tre assi spaziali.
Il Cubli 3D finale è composto da sei parti rettangolari del telaio che formano il cubo. All’interno si trovano tre ruote di reazione disposte ortogonalmente, motori, supporti motore, componenti per la trasmissione della coppia e l’elettronica, incluso il PCB. Ciascun asse deve poter agire in modo indipendente senza entrare in collisione con le altre ruote o i componenti.
Progettazione: quando il baricentro determina la funzionalità
In un progetto come questo, il successo non dipende solo dal fatto che tutte le parti si incastrino perfettamente. Ciò che conta altrettanto è dove è posizionata la massa.
Durante il bilanciamento, il Cubli si trova in una posizione di equilibrio instabile. Anche piccole deviazioni del baricentro possono creare momenti ribaltanti aggiuntivi e rendere il controllo più difficile. Ecco perché i componenti pesanti dovevano essere posizionati il più vicino possibile al centro. Allo stesso tempo, il cubo necessitava di spazio sufficiente per motori, ruote di reazione, cuscinetti, componenti per la trasmissione della coppia ed elettronica.
Ero principalmente responsabile della parte meccanica del progetto. Alexander si è occupato del software e della progettazione del PCB, mentre Florian ha gestito l’elettronica, i calcoli, il cablaggio e l’assemblaggio. Questa chiara distribuzione delle responsabilità è stata importante perché meccanica, elettronica e ingegneria dei controlli interagiscono direttamente in questo progetto.
I componenti meccanici più importanti includevano:
- Parti del telaio come struttura portante
- Ruote di reazione per generare momento angolare
- Supporti motore
- Componenti per la trasmissione della coppia
- Cuscinetti ed elementi di collegamento
- Elementi angolari stampati in 3D
- PCB e componenti elettronici
La sfida più grande è stata coordinare tutti i componenti meccanici in modo tale che la configurazione funzionasse effettivamente in seguito e si incastrasse con precisione.
Parti del telaio tagliate al laser come base stabile
Per le parti del telaio abbiamo scelto il taglio laser. Questi componenti formano la struttura di base del cubo e dovevano essere leggeri, stabili e realizzati con precisione. L’alluminio è stato una scelta ovvia perché offre una buona combinazione di peso ridotto e stabilità sufficiente.
Le parti del telaio tagliate al laser sono state prodotte con il supporto di Xometry. Per il nostro team non era importante solo la produzione in sé, ma anche un processo rapido e semplice. In una tesi di diploma, il tempo è limitato. Preventivi, decisioni e fasi di produzione, pertanto, devono susseguirsi rapidamente.
Per il nostro team, questo ha rappresentato un aiuto pratico e la prova che le aziende prendono sul serio i progetti tecnici degli studenti. In un progetto con un budget limitato e scadenze ravvicinate, un partner di produzione affidabile può fare una differenza decisiva. Oltre a una finitura pulita, le parti del telaio dovevano garantire un assemblaggio meccanico preciso.
Sfide: piccoli dettagli di produzione con grandi conseguenze
Come per molti progetti tecnici, anche il cubo giroscopico ha dimostrato che le lezioni più importanti spesso non emergono nel modello CAD, ma durante il vero e proprio assemblaggio.
Una sfida particolare è stata la maschiatura delle filettature nei componenti in acciaio inossidabile. I maschi si sono rotti e sono rimasti incastrati nel supporto motore e nei componenti per la trasmissione della coppia. Di conseguenza, inizialmente non è stato possibile completare alcune filettature. Il problema non è stato solo frustrante, ma ha anche bloccato il successivo assemblaggio meccanico.
Abbiamo cercato soluzioni esterne e imparato quanto sia davvero importante la Progettazione per la produzione (DfM). Alcuni fori avrebbero potuto essere regolati prima, alcune profondità di filettatura si sono rivelate sfavorevoli per la lavorazione manuale e piccoli dettagli hanno avuto un impatto maggiore del previsto.
Questa è diventata una delle lezioni più importanti del progetto: anche piccole decisioni di progettazione possono avere, in seguito, gravi conseguenze per la produzione, l’assemblaggio e la funzionalità.
Sviluppi futuri del progetto
Alla fine, il risultato non è solo un dimostratore tecnico, ma un progetto che collega strettamente teoria e pratica. Il team ha costruito una configurazione di test 2D funzionale, ha completato l’assemblaggio meccanico ed elettrico finale del Cubli 3D e ha maturato una preziosa esperienza in materia di progettazione, produzione, elettronica e lavoro a progetto.
Per me è stato particolarmente motivante vedere un’idea trasformarsi gradualmente in un sistema fisico. Ciò che mi entusiasma di più è che, alla fine, hai di fronte un vero e proprio sistema funzionante e non solo un concetto teorico.
I prossimi passi sono la completa implementazione e il test del sistema di stabilizzazione. Un possibile sviluppo futuro potrebbe essere quello di consentire al Cubli di rialzarsi in modo autonomo.
La consapevolezza più importante, tuttavia, è già chiara: raramente i progetti tecnici funzionano senza deviazioni o imprevisti. Ed è proprio questo che li rende preziosi. La pianificazione, la precisione e una progettazione pulita sono importanti, ma lo è altrettanto la capacità di reagire in modo flessibile ai problemi e di andare avanti.
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