Los sistemas de posicionamiento de robots son caminos largos en instalaciones de almacenes, aeroespaciales y automotrices que permiten que un robot realice múltiples tareas. También llamados unidades de transferencia de robot o RTU o sistemas de séptimo eje, estos diseños de movimiento son cada vez más comunes para ensamblaje, soldadura a gran escala y almacenamiento.

En contraste con las configuraciones típicas en las que un robot se atornilla al piso, las RTU mueven los robots a través de celdas de trabajo y fábricas y los transportan entre estaciones. Las mejores configuraciones para las RTU son aquellas que se acaban de construir o aquellas en las que los procesos y las máquinas relacionadas se pueden colocar en una fila recta. Cuando las RTU mueven robots de seis ejes, las pistas lineales a veces también se denominan séptimo eje (o, menos comúnmente, cuando el robot tiene siete grados de libertad, octavo eje). Cuando estas vías forman parte de un marco, incluidos los marcos de los que cuelga el robot, se denominan pórticos.

No importa la morfología del robot o de la pista, el objetivo del eje adicional es agregar movimiento de traslación. Esto amplía el ámbito de trabajo o permite que un robot transporte piezas de trabajo o herramientas. En algunas configuraciones, el primero permite que un robot atienda varias máquinas o recoja paletas de filas, o mecanice componentes muy grandes. Para este último, las aplicaciones comunes son el embalaje, la soldadura, el corte por arco de plasma y otras tareas mecánicas.

Aquí nos centramos en las opciones de accionamiento para RTU. Sin embargo, tenga en cuenta que los ingenieros también deben decidir entre una serie de guías y cojinetes (normalmente en forma de seguidores de leva o guías de perfil).

Abundan las opciones de diseño y manejo para RTU
Aunque algunos pórticos incluyen marcos para invertir los robots y suspenderlos para un mejor acceso a las máquinas desde arriba, las RTU que se atornillan al piso y orientan el robot en posición vertical son las más comunes. Estas RTU tienen cargas útiles más altas en promedio, transportando brazos robóticos y cargas agarradas que pesan miles de libras.

Los ingenieros pueden comprar RTU prediseñadas o construir RTU internamente utilizando su experiencia en sistemas de movimiento. Los más simples son pares de vías lineales que soportan plataformas a las que se atornilla el robot. Sin embargo, muchos fabricantes de equipos originales contratan integradores dedicados para situaciones en las que los robots en RTU realizarán trabajos de alta precisión, por ejemplo, una tarea de corte (donde el diseño debe sincronizar la articulación de múltiples ejes) o mover piezas fundidas a través de varias máquinas herramienta para su procesamiento.

El mayor desafío para diseñar unidades de transferencia de robots es programarlas para que se sincronicen con la articulación de los brazos robóticos que llevan. El segundo mayor desafío es lograr que las RTU mantengan un movimiento lineal preciso a lo largo de muchos metros.

Cumplir con los requisitos físicos para carreras largas.
A veces, la velocidad es el objetivo primordial del diseño de la RTU. Esto es especialmente cierto cuando las RTU llevan robots a más de unos cientos de pies o incluso más en configuraciones especiales. La alta velocidad en el contexto de los robots en movimiento (a veces brazos que pesan miles de libras más sus cargas útiles) es relativa. Sin embargo, algunas RTU pueden moverse a más de 10 pies/s con una aceleración de hasta un g.

Pero a menudo, la precisión es el objetivo primordial del diseño de la RTU. Considere una aplicación en la que un robot ayuda a una célula de trabajo cooperativa con el mecanizado, por ejemplo. En este caso, la velocidad y la extensión del ámbito de trabajo del robot sólo son útiles si la estructura circundante puede mantener la precisión. Estos diseños a menudo necesitan una precisión de 0,02 mm y una repetibilidad de posicionamiento de aproximadamente 0,2 mm durante los movimientos de la pista.

Por el contrario, si una aplicación utiliza un brazo robótico para aplicaciones que ponen a prueba controles adaptativos pero que dependen menos de la precisión absoluta, otras configuraciones pueden funcionar. Esto podría incluso adoptar la forma de un vehículo móvil equipado con un brazo robótico, por ejemplo para descargar contenedores.

Independientemente del diseño, el bajo mantenimiento y la larga vida útil son cruciales para todas las configuraciones de RTU, ya que generalmente están asociadas con más de una función de la planta y varias otras piezas de maquinaria. Por lo tanto, el tiempo de inactividad de la RTU a menudo deja fuera de servicio a otras estaciones.

La seguridad integrada también es importante porque muchas RTU mueven robótica a través de campos llenos de equipos costosos, como máquinas herramienta o incluso trabajadores, especialmente cuando operan en zonas con personal de ensamblaje.

Correas, tornillos y neumática para RTU
Los pórticos robóticos que atraviesan distancias lineales de rango medio a menudo utilizan motores combinados con transmisiones por correa. Estos son sistemas relativamente simples que utilizan poleas impulsadas por motores eléctricos para crear tensión a lo largo de una correa y acelerar rápidamente. Sin embargo, a medida que alcanzan carreras más largas, pueden surgir problemas con las correas combadas si el sistema no puede mantener la tensión en toda su longitud. Para ser claros, el problema no es la limitación de la carga útil. Más bien, es un riesgo de pérdida de movimiento debido al cumplimiento del cinturón.

Hay excepciones a la advertencia de escalabilidad. En algunas RTU, los ejes de correa (impulsados ​​desde un eje de transmisión común) accionan manivelas armónicas. En este caso, las transmisiones por correa pueden mantener la precisión para el posicionamiento robótico de carrera larga en las condiciones adecuadas. Las RTU accionadas por correa más exitosas utilizan marcos y pistas lineales en orientaciones complementarias para obtener más precisión de la configuración accionada por correa. Algunas RTU con actuadores de riel accionados por correa pueden mantener una repetibilidad de ± 0,001 pulgadas, incluso mientras mueven robots de una tonelada a decenas de pies. Aquí (gracias a los rieles correctos) los actuadores accionados por correa crean RTU que son más baratas y más flexibles que las alternativas.

Otra opción para el séptimo eje es un eje accionado por husillo de bolas. Esta configuración aborda las vibraciones y los resortes que pueden surgir en las transmisiones por correa. Básicamente, un elemento mecánico fijo mantiene el control para detener y posicionar con precisión.

Los husillos de bolas generalmente funcionan bien en configuraciones de hasta seis metros de largo con la ayuda de soportes de rodamientos intermitentes. En ejes más largos, el principal problema es que los tornillos se azotan a altas velocidades, especialmente si no reciben suficiente apoyo. Esto se debe a que los ejes de los husillos de bolas se doblan por su propio peso. Luego, a una velocidad crítica (una función del diámetro del eje del tornillo, la rectitud, la alineación y la longitud sin soporte), el movimiento excita la frecuencia natural del eje. Por lo tanto, la velocidad máxima disminuye a medida que aumenta la longitud del husillo de bolas.

Algunas configuraciones utilizan bloques de cojinetes que se separan y colapsan juntos, y luego permanecen y sostienen el tornillo para una extensión más larga y sin látigos. Sin embargo, para pistas extralargas accionadas por husillos de bolas, los fabricantes deben unir varios tornillos (normalmente con pegamento en lugar de soldar para evitar una geometría deformada). De lo contrario, el tornillo debe tener un diámetro extra grande para solucionar el problema del látigo. Las carreras de algunas configuraciones basadas en husillos de bolas alcanzan los 10 metros y alcanzan las 4.000 rpm. Otra advertencia: los tornillos de las orugas de los robots necesitan protección contra la suciedad y los residuos. Sin embargo, donde funcionan, las RTU que utilizan motores eléctricos combinados con husillos de bolas manejan cargas mayores que los ejes accionados por correa.

También existe potencia fluida para configuraciones de carrera larga. Estas RTU neumáticas suelen ser una solución de bajo costo para aplicaciones que solo necesitan un posicionamiento de dos paradas de ida y vuelta. Las ofertas promedio se mueven a 2 m/s y se integran con otros controles de robot.

Motores lineales para RTU de precisión
Las RTU de carrera larga (para uso en robótica de laboratorio, por ejemplo) pueden utilizar accionamientos de motor lineal. La mayoría de estas RTU también incluyen electrónica de última generación, codificadores absolutos y control de movimiento para el seguimiento de los ejes, incluso después de errores o paradas.

El alcance más típico de un motor lineal es de unos cuatro metros. Este alcance es más adecuado para la manipulación de obleas semiconductoras y de recogida y colocación que para aplicaciones RTU más pesadas. En resumen, los motores lineales en RTU son particularmente desafiantes porque ofrecen precisión mecánica pero deben transportar cargas útiles pesadas. Esto requiere más imanes permanentes, costosos, que hacen que los motores lineales funcionen tan bien.

Hay excepciones. Se encargó y construyó a medida una RTU con actuadores lineales en tándem, récord mundial, para una configuración de automatización que necesitaba movimientos de precisión de hasta 12 m. Los rieles de soporte rígidos de aluminio funcionan con dos rodamientos de bolas de recirculación lineal de seis hileras y conjuntos de guías. Los motores lineales síncronos de ranura doble generan una fuerza de salida de 4200 N.

Conjuntos de piñón y cremallera para RTU
Las RTU disponibles comercialmente que utilizan conjuntos de piñón y cremallera son las más comunes. Las longitudes típicas alcanzan los 15 metros. El control de la unidad lineal está integrado como un eje acoplado matemáticamente en el controlador del robot, lo que elimina la necesidad de un controlador adicional. Muchas de estas RTU mantienen la precisión incluso en recorridos de 30 metros combinando un servomotor de CA sin escobillas y una caja de cambios planetaria con conjuntos de piñón y cremallera helicoidales rectificados. Otras configuraciones utilizan un carro que se mueve sobre un riel de un solo borde sobre rodillos de alta resistencia en un bloque. En este caso, los rieles suelen ser rectangulares con una rejilla cortada en el borde interior. Estos pueden unirse con segmentos curvos donde sea un diseño útil.

Algunas RTU que mueven el robot sobre la plataforma móvil utilizan rieles de superficie plana hechos de acero endurecido y los combinan con grupos de seguidores de levas. Otros utilizan un motor eléctrico con un reductor de bisel helicoidal y una correa para impulsar la plataforma. Luego, en el eje largo de la lanzadera, la RTU cuenta con un motorreductor eléctrico que acciona un piñón que engrana una cremallera.

RTU de simulación y programación
Existen herramientas que permiten a los ingenieros planificar las rutas de las RTU y coordinarlas con las funciones del robot. El software de simulación de robots e incluso algunos módulos de control de movimiento permiten a los ingenieros planificar pistas, cargar el software resultante en un controlador y luego controlar el robot y la RTU con esa única pieza de hardware.

Otra opción es el software de empresas de software dedicadas que venden kits de desarrollo de robots, que permiten la programación de casi cualquier marca de robot a través de API. Estas y muchas otras herramientas de software hacen que la configuración del robot sea más fácil que nunca, especialmente para equipos con experiencia moderada en control de movimiento o CNC. Las iteraciones iniciales del diseño suelen realizarse mediante programación de PC fuera de línea. Luego, cuando el personal instala el robot y la RTU, el software de programación genera un código que se carga en los controles. El software conduce la RTU y el robot a través de rutas programadas para probar si hay problemas. A continuación, el instalador utiliza un colgante para colocar la pinza, el cortador o el efector final del robot en puntos específicos del trabajo en el espacio mientras el controlador registra los movimientos. De lo contrario, los instaladores pueden usar un colgante para toda la configuración y luego pulir las trayectorias en el backend, un enfoque cada vez más común.

Advertencia: las RTU complican la calibración del robot
Después de la configuración física, las RTU y los robots necesitan calibración. El problema es que los robots industriales combinados con RTU a menudo realizan movimientos repetibles pero no precisos, por lo que producen un movimiento de salida que difiere de las aproximaciones de simulación. Por sí solos, los robots industriales tienen una repetibilidad unidireccional promedio de 0,1 mm a 0,01 mm. Los ejes típicos combinan un reductor y un motor sin juego, y un controlador los rastrea a todos con codificadores de alta resolución. Aumentar aún más la precisión del movimiento de salida resulta costoso, ya que los conjuntos y componentes como los engranajes introducen pérdida de movimiento (principalmente debido a la conformidad mecánica). Por lo tanto, en algunos casos los controles a menudo deben compensar el error de posición en la escala de milímetros.

La calibración tradicional de robots utiliza una costosa alineación láser. A veces esto puede reducir veinte veces el error de salida. De lo contrario, los fabricantes de robots ofrecen calibración de fábrica. Las empresas dedicadas a la calibración de robots también ofrecen servicios que pueden tener en cuenta el efecto de una RTU adicional en la producción general de precisión del robot. Además, los sensores de doble cámara permiten la inspección por sonda y la medición dinámica a través de ópticas e iluminación especial. Los modos mecánicos de calibración son otra opción, aunque son más difíciles de aplicar a robots en pistas largas.