Los sistemas de posicionamiento robótico son rieles largos que se utilizan en almacenes, instalaciones aeroespaciales y automotrices para que un solo robot pueda realizar múltiples tareas. También conocidos como unidades de transferencia robótica (RTU) o sistemas de séptimo eje, estos sistemas de movimiento son cada vez más comunes en el ensamblaje, la soldadura a gran escala y el almacenamiento.

A diferencia de las configuraciones típicas en las que un robot se atornilla al suelo, las RTU mueven los robots a través de las células de trabajo y las fábricas, desplazándolos entre estaciones. Las mejores configuraciones para las RTU son aquellas que se están construyendo o aquellas donde los procesos y la maquinaria relacionada se pueden colocar en línea recta. Cuando las RTU mueven robots de seis ejes, las guías lineales también se denominan a veces séptimo eje (o, con menos frecuencia, octavo eje, cuando el robot tiene siete grados de libertad). Cuando estas guías forman parte de una estructura, incluidas las estructuras de las que cuelga el robot, se denominan pórticos.

Independientemente de la morfología del robot o de la oruga, el objetivo del eje adicional es añadir movimiento de traslación. Esto permite ampliar el área de trabajo o transportar piezas o herramientas. En algunas configuraciones, el primer caso permite que el robot atienda varias máquinas, recoja palés de filas o mecanice componentes de gran tamaño. En el segundo caso, las aplicaciones más 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 las RTU. Sin embargo, cabe señalar que los ingenieros también deben decidir entre una variedad de guías y cojinetes (generalmente en forma de seguidores de leva o guías de perfil).

Abundan las opciones de diseño y accionamiento para las RTU.
Si bien algunos pórticos incluyen estructuras para invertir los robots y suspenderlos, facilitando así el acceso a las máquinas desde arriba, las unidades móviles de carga (RTU) que se atornillan al suelo y orientan el robot en posición vertical son las más comunes. Estas RTU suelen tener una mayor capacidad de carga, transportando brazos robóticos y cargas que pueden pesar miles de libras.

Los ingenieros pueden adquirir unidades de robot prefabricadas o construirlas internamente utilizando su experiencia en sistemas de movimiento. Las más sencillas son los sistemas de rieles lineales con plataformas a las que se atornilla el robot. Sin embargo, muchos fabricantes de equipos originales (OEM) recurren a integradores especializados para situaciones en las que los robots montados en unidades de robot realizarán trabajos de alta precisión; por ejemplo, tareas de corte (donde el diseño debe sincronizar la articulación de múltiples ejes) o el traslado de piezas fundidas a través de diversas máquinas herramienta para su procesamiento.

El mayor desafío en el diseño de unidades de transferencia robótica radica en programarlas para que se sincronicen con la articulación de los brazos robóticos que transportan. El segundo mayor desafío es lograr que dichas unidades mantengan un movimiento lineal preciso a lo largo de varios metros.

Cumplir con los requisitos físicos para carreras largas
En ocasiones, la velocidad es el principal objetivo de diseño de las RTU. Esto es especialmente cierto cuando las RTU transportan robots a lo largo de cientos de metros o incluso más en configuraciones especiales. La alta velocidad en el contexto del movimiento de robots —a veces brazos que pesan miles de kilos más sus cargas útiles— es relativa. Sin embargo, algunas RTU pueden moverse a más de 3 metros por segundo con una aceleración de hasta 1 g.

Sin embargo, a menudo, la precisión es el principal objetivo de diseño de la RTU. Consideremos, por ejemplo, una aplicación donde un robot ayuda a una célula de trabajo colaborativa en el mecanizado. En este caso, la velocidad y la ampliación del área de trabajo del robot solo son útiles si la estructura circundante garantiza una alta precisión. Estos diseños suelen requerir una precisión de 0,02 mm y una repetibilidad de posicionamiento de aproximadamente 0,2 mm durante los movimientos de la vía.

En cambio, si una aplicación utiliza un brazo robótico para tareas que ponen a prueba los controles adaptativos pero que dependen menos de la precisión absoluta, otras configuraciones podrían funcionar. Esto incluso podría adoptar la forma de un vehículo móvil equipado con un brazo robótico, por ejemplo, para descargar contenedores de envío.

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

La seguridad integrada también es importante porque muchas unidades de robótica móvil (RTU) desplazan robots a través de campos con equipos costosos, como máquinas herramienta o incluso trabajadores, especialmente cuando operan cerca de zonas con personal de montaje.

Correas, tornillos y sistemas neumáticos para RTU
Los pórticos robóticos que recorren distancias lineales medias suelen utilizar motores acoplados a transmisiones por correa. Se trata de sistemas relativamente sencillos que emplean poleas accionadas por motores eléctricos para generar tensión en la correa y acelerar rápidamente. Sin embargo, al alcanzar recorridos más largos, pueden surgir problemas de comba si el sistema no puede mantener la tensión a lo largo de toda la longitud de la correa. Cabe aclarar que el problema no radica en la limitación de la carga útil, sino en el riesgo de pérdida de movimiento debido a la flexibilidad de la correa.

Existen excepciones a la advertencia sobre la escalabilidad. En algunas RTU, los ejes de correa (accionados desde un eje de transmisión común) accionan manivelas armónicas. En estos casos, las transmisiones por correa pueden mantener la precisión para el posicionamiento robótico de largo recorrido en las condiciones adecuadas. La mayoría de las RTU accionadas por correa exitosas utilizan marcos y guías lineales en orientaciones complementarias para obtener mayor precisión de la configuración de transmisión por correa. Algunas de estas RTU con actuadores de riel accionados por correa pueden mantener una repetibilidad de ± 0,001 pulgadas, incluso al mover robots de una tonelada a lo largo de decenas de metros. En este caso (gracias a los rieles adecuados), los actuadores accionados por correa dan como resultado RTU más económicas y flexibles que las alternativas.

Otra opción para el séptimo eje es un eje accionado por husillo de bolas. Esta configuración soluciona las vibraciones y los rebotes que pueden producirse en las transmisiones por correa. Básicamente, un elemento mecánico fijo mantiene el control para una parada y un posicionamiento precisos.

Los husillos de bolas suelen funcionar bien en configuraciones de hasta seis metros de longitud con la ayuda de soportes de cojinetes intermitentes. En ejes más largos, el principal problema es que los husillos vibran a altas velocidades, especialmente si no reciben suficiente soporte. Esto se debe a que los ejes de los husillos de bolas se doblan bajo su propio peso. Entonces, a una velocidad crítica (que depende del diámetro, la rectitud, la alineación y la longitud sin soporte del eje), 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 se pliegan, y luego permanecen en su lugar y soportan el husillo para una extensión más prolongada sin flexión. Sin embargo, para rieles extralargos accionados por husillo de bolas, los fabricantes deben unir varios husillos (generalmente con pegamento en lugar de soldadura para evitar la deformación geométrica). De lo contrario, el husillo debe tener un diámetro extragrande para solucionar el problema de la flexión. Las carreras de algunas de estas configuraciones basadas en husillos de bolas alcanzan los 10 metros y las 4000 rpm. Otra advertencia: los husillos en los rieles del robot 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 existen sistemas hidráulicos para configuraciones de largo recorrido. Estas unidades de control robótico neumáticas suelen ser una solución económica para aplicaciones que solo requieren posicionamiento bidireccional con dos paradas. Los modelos promedio alcanzan una velocidad de 2 m/s y se integran con otros sistemas de control robótico.

Motores lineales para RTU de precisión
Las RTU de carrera larga (para su 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 ejes, incluso después de errores o paradas.

El alcance típico de un motor lineal es de unos cuatro metros. Este alcance es más adecuado para tareas de recogida y colocación y manipulación de obleas de semiconductores que para aplicaciones más pesadas en unidades terminales remotas (RTU). En resumen, los motores lineales en las RTU presentan un desafío particular, ya que, si bien deben ofrecer precisión mecánica, también deben soportar cargas pesadas. Esto requiere una mayor cantidad de costosos imanes permanentes, que son los que hacen que los motores lineales funcionen tan bien.

Existen excepciones. Una unidad de control remoto (RTU) con actuadores lineales en tándem, que ostenta un récord mundial, fue diseñada y fabricada a medida para un sistema de automatización que requería movimientos de precisión de hasta 12 m. Rieles de soporte rígidos de aluminio funcionan con dos rodamientos lineales de bolas recirculantes de seis filas y conjuntos de guías. Dos motores lineales síncronos ranurados generan una fuerza de hasta 4200 N.

Sistemas de cremallera y piñón para RTU
Las unidades de tracción robótica (RTU) disponibles comercialmente que utilizan sistemas de cremallera y piñón son las más comunes. Las longitudes típicas alcanzan los 15 metros. El control de la unidad lineal se integra 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 mediante la combinación de un servomotor de CA sin escobillas y una caja de engranajes planetarios con sistemas de cremallera y piñón helicoidales rectificados. Otras configuraciones utilizan un carro que se desplaza sobre un riel de un solo borde con rodillos de alta resistencia en un bloque. En este caso, los rieles suelen ser rectangulares con una cremallera cortada en un borde interior. Estos pueden unirse con segmentos curvos cuando esta disposición resulta útil.

Algunas unidades de control remoto (RTU) que mueven el robot sobre la plataforma móvil utilizan rieles de superficie plana de acero endurecido y los combinan con conjuntos de levas y seguidores. Otras emplean un motor eléctrico con un reductor cónico helicoidal y una correa para accionar la plataforma. En el eje largo de desplazamiento, la RTU cuenta con un motorreductor eléctrico que acciona un piñón que engrana con una cremallera.

Unidades de procesamiento remoto (RTU) de simulación y programación
Existen herramientas que permiten a los ingenieros planificar las trayectorias 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 las trayectorias, cargar el software resultante en un controlador y, posteriormente, controlar el robot y la RTU con ese único dispositivo.

Otra opción es el software de empresas especializadas que venden kits de desarrollo de robots, los cuales permiten programar prácticamente cualquier marca de robot mediante API. Estas y muchas otras herramientas de software facilitan la configuración del robot como nunca antes, especialmente para equipos con experiencia moderada en control de movimiento o CNC. Las iteraciones iniciales del diseño generalmente se realizan mediante programación offline en PC. Luego, cuando el personal instala el robot y la RTU, el software de programación genera código que se carga en los controles. El software controla la RTU y el robot a través de trayectorias programadas para detectar problemas. A continuación, el instalador utiliza un panel de control para posicionar la pinza, la fresa o el efector final del robot en puntos específicos del espacio, mientras el controlador registra los movimientos. Alternativamente, los instaladores pueden usar un panel de control para toda la configuración y luego refinar las trayectorias en el backend, un enfoque cada vez más común.

Advertencia: las RTU complican la calibración del robot
Tras la configuración física, las RTU y los robots requieren calibración. El problema radica en que los robots industriales acoplados a las RTU suelen realizar movimientos repetibles pero imprecisos, lo que resulta en un movimiento de salida que difiere de las aproximaciones de la simulación. Por sí solos, los robots industriales presentan una repetibilidad unidireccional promedio de entre 0,1 mm y 0,01 mm. Los ejes típicos combinan un reductor de engranajes y un motor sin holgura, y un controlador los monitoriza mediante codificadores de alta resolución. Mejorar aún más la precisión del movimiento de salida resulta costoso, ya que los ensamblajes y componentes, como los engranajes, introducen pérdidas de movimiento (principalmente debido a la flexibilidad mecánica). Por lo tanto, en algunos casos, los controles deben compensar errores de posición del orden de milímetros.

La calibración tradicional de robots utiliza una costosa alineación láser. En ocasiones, esto puede reducir el error de salida hasta veinte veces. En otros casos, los fabricantes de robots ofrecen calibración en fábrica. Las empresas especializadas en calibración de robots también ofrecen servicios que consideran el efecto de una RTU adicional en la precisión general del robot. Por otra parte, los sensores de doble cámara permiten la inspección por sondeo y la medición dinámica mediante óptica e iluminación especial. Los modos de calibración mecánica son otra opción, aunque son más difíciles de aplicar a robots con orugas largas.