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

A diferencia de las configuraciones típicas en las que un robot se fija a una planta, las RTU desplazan robots a través de celdas de trabajo y fábricas, y los transportan entre estaciones. Las mejores configuraciones para las RTU son aquellas que se están construyendo recientemente o aquellas donde los procesos y las máquinas relacionadas pueden colocarse en una fila recta. Cuando las RTU desplazan robots de seis ejes, las pistas lineales también se denominan a veces séptimo eje (o, con menos frecuencia, cuando el robot tiene siete grados de libertad, octavo eje). Cuando estas pistas forman parte de un bastidor, incluidos los bastidores de los que cuelga el robot, se denominan pórticos.

Independientemente de la morfología del robot o de la vía, el objetivo del eje adicional es añadir movimiento de traslación. Esto amplía el área de trabajo o permite al robot transportar piezas o herramientas. En algunas configuraciones, el primer eje permite al robot atender varias máquinas, recoger palés de las filas o mecanizar componentes muy grandes. En el segundo caso, 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 elegir entre una variedad de guías y rodamientos (generalmente en forma de seguidores de leva o guías de perfil).

Abundan las opciones de diseño y accionamiento para RTU
Aunque algunos pórticos incluyen estructuras para invertir los robots y suspenderlos para facilitar el acceso a las máquinas desde arriba, las RTU que se atornillan al suelo y orientan el robot en posición vertical son las más comunes. Estas RTU tienen una mayor capacidad de carga útil, soportando brazos robóticos y cargas de agarre de miles de libras.

Los ingenieros pueden adquirir RTU prediseñadas o construirlas internamente con su experiencia en sistemas de movimiento. Las opciones más sencillas son pares de pistas lineales que soportan plataformas a las que se atornilla el robot. Sin embargo, muchos fabricantes de equipos originales (OEM) contratan integradores especializados para situaciones en las que los robots con RTU realizan tareas de alta precisión; por ejemplo, una tarea 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 para el diseño de unidades de transferencia robóticas es programarlas para que se sincronicen con la articulación de los brazos robóticos que transportan. 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 las RTU. Esto es especialmente cierto cuando las RTU llevan robots a más de doscientos metros o incluso más en configuraciones especializadas. La alta velocidad en el contexto de robots en movimiento (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/s con una aceleración de hasta una g.

Pero a menudo, la precisión es el objetivo primordial del diseño de RTU. Consideremos, por ejemplo, una aplicación donde un robot ayuda a una celda de trabajo cooperativa con el mecanizado. En este caso, la velocidad y la extensión del área de trabajo del robot solo son útiles si la estructura circundante mantiene una precisión precisa. 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 pista.

Por el contrario, si una aplicación utiliza un brazo robótico para aplicaciones que exigen al máximo los controles adaptativos, pero que dependen menos de la precisión absoluta, otras configuraciones podrían funcionar. Esto podría incluso consistir en un vehículo móvil equipado con un brazo robótico, por ejemplo, para descargar contenedores de transporte.

Independientemente del diseño, el bajo mantenimiento y la larga vida útil son cruciales para todas las configuraciones de RTU, ya que suelen estar asociadas con más de una función de la planta y varias otras máquinas. 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 robots a través de campos poblados de equipos costosos, como máquinas herramientas o incluso trabajadores, especialmente donde operan alrededor de zonas con personal de ensamblaje.

Correas, tornillos y neumática para RTUs
Los pórticos robóticos que recorren distancias lineales intermedias suelen utilizar motores acoplados a transmisiones por correa. Se trata de sistemas relativamente sencillos que emplean poleas accionadas por motores eléctricos para tensar la correa y acelerar rápidamente. Sin embargo, al alcanzar recorridos más largos, pueden surgir problemas de flexión de las correas si el sistema no puede mantener la tensión en toda su longitud. En definitiva, el problema no es la limitación de la carga útil, sino el riesgo de pérdida de movimiento debido a la flexibilidad de la correa.

Existen excepciones a la restricción de escalabilidad. En algunas RTU, los ejes de correa (accionados desde un eje de transmisión común) accionan cigüeñales armónicos. En estos casos, las transmisiones por correa pueden mantener la precisión del posicionamiento robótico de carrera larga en las condiciones adecuadas. Las RTU accionadas por correa más exitosas utilizan rieles de estructura y lineales en orientaciones complementarias para obtener mayor precisión de la configuración accionada 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 pies. En este caso (gracias a los rieles adecuados), los actuadores accionados por correa permiten obtener 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 la vibración y el efecto elástico que pueden producirse en las transmisiones por correa. En esencia, un elemento mecánico fijo mantiene el control para una parada y un posicionamiento precisos.

Los husillos a bolas suelen funcionar bien en configuraciones de hasta seis metros de longitud con la ayuda de soportes de rodamientos intermitentes. En ejes más largos, el principal problema reside en el latigazo de los husillos a altas velocidades, especialmente si no reciben suficiente soporte. Esto se debe a que los ejes de los husillos a bolas se doblan por su propio peso. A la velocidad crítica (una función del diámetro del husillo, 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 a bolas.

Algunas configuraciones utilizan bloques de rodamiento que se separan y se pliegan, y luego se quedan para sujetar el tornillo sin fin para una mayor extensión sin latigazos. Sin embargo, para rieles accionados por husillos de bolas extra largos, los fabricantes deben unir varios tornillos (generalmente con pegamento en lugar de soldadura para evitar deformaciones geométricas). De lo contrario, el tornillo debe tener un diámetro extra grande para solucionar el problema del latigazo. Los recorridos de algunas de estas configuraciones basadas en husillos de bolas alcanzan los 10 metros y alcanzan las 4000 rpm. Otra advertencia: los tornillos en los rieles de los robots necesitan protección contra la suciedad y los residuos. Sin embargo, donde funcionan, las RTU que utilizan motores eléctricos acoplados a husillos de bolas manejan cargas mayores que los ejes accionados por correa.

También existen sistemas de propulsión hidráulica para configuraciones de carrera larga. Estas RTU neumáticas suelen ser una solución económica para aplicaciones que solo requieren posicionamiento de dos paradas de ida y vuelta. Las opciones promedio se mueven a 2 m/s y se integran con otros controles robóticos.

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 vanguardia, codificadores absolutos y control de movimiento para el seguimiento de ejes, incluso después de errores o paradas.

El alcance más típico de un motor lineal es de aproximadamente cuatro metros. Este alcance es más adecuado para la manipulación de obleas de semiconductores y de pick-and-place que para aplicaciones de RTU más pesadas. En resumen, los motores lineales en RTU son particularmente exigentes, ya que ofrecen precisión mecánica, pero deben soportar cargas útiles pesadas. Esto requiere una mayor cantidad de los costosos imanes permanentes que hacen que los motores lineales tengan un rendimiento tan bueno.

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

Conjuntos de piñón y cremallera para RTU
Las RTU disponibles comercialmente con 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 al combinar un servomotor de CA sin escobillas y una caja de engranajes planetarios con conjuntos de piñón y cremallera helicoidales rectificados. Otras configuraciones utilizan un carro que se desplaza 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 cremallera recortada en un borde interior. Estos pueden unirse con segmentos curvos cuando esto resulta conveniente.

Algunas RTU que desplazan el robot sobre la plataforma móvil utilizan rieles de superficie plana de acero endurecido y los combinan con conjuntos de seguidores de leva. Otras utilizan un motor eléctrico con un reductor cónico helicoidal y una correa para accionar la plataforma. En el eje largo de la lanzadera, la RTU incorpora un motorreductor eléctrico que acciona un piñón que engrana con una cremallera.

Simulación y programación de RTU
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 hardware.

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 de robots como nunca, especialmente para equipos con experiencia moderada en control de movimiento o CNC. Las iteraciones iniciales de diseño suelen realizarse mediante programación en PC sin conexión. Luego, cuando el personal instala el robot y la RTU, el software de programación genera código que se carga en los controles. El software guía la RTU y el robot por rutas programadas para detectar problemas. A continuación, el instalador utiliza un control remoto para posicionar 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 utilizar un control remoto 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
Tras la configuración física, las RTU y los robots necesitan calibración. El problema radica en que los robots industriales acoplados a las RTU suelen realizar movimientos repetibles, pero no precisos, lo que produce 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 holgura, y un controlador los monitoriza 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 flexibilidad mecánica). Por lo tanto, los controles a menudo deben compensar errores de posición milimétricos en algunos casos.

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