Los sistemas de posicionamiento robótico consisten en largas vías utilizadas 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 donde un robot se fija al suelo, las RTU (Unidades de Transporte Remoto) desplazan robots a través de células de trabajo y fábricas, trasladándolos entre estaciones. Las configuraciones óptimas para las RTU son aquellas en construcción o donde los procesos y las máquinas relacionadas pueden disponerse en línea recta. Cuando las RTU desplazan 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, incluyendo aquellas de las que cuelga el robot, se denominan pórticos.

Independientemente del robot o la morfología de la oruga, el objetivo del eje adicional es añadir movimiento de traslación. Esto amplía el área de trabajo o permite que el robot transporte piezas o herramientas. En algunas configuraciones, el primer caso permite que un robot atienda varias máquinas, recoja palés de filas o mecanice componentes de gran tamaño. En el segundo caso, las aplicaciones comunes incluyen el embalaje, la soldadura, el corte por 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 variedad de guías y cojinetes (generalmente en forma de seguidores de leva o guías de perfil).

Existen numerosas opciones de diseño y accionamiento para las RTU.
Aunque algunas grúas pórtico incluyen estructuras para invertir los robots y suspenderlos para un mejor acceso a las máquinas desde arriba, las RTU que se atornillan al suelo y mantienen el robot en posición vertical son las más comunes. Estas RTU tienen una mayor capacidad de carga, soportando brazos robóticos y cargas manipuladas que pesan miles de libras.

Los ingenieros pueden adquirir unidades de robot prefabricadas o construirlas internamente aprovechando su experiencia en sistemas de movimiento. Las más sencillas son pares de rieles lineales que soportan 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 sobre unidades de robot realizan 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 reto en el diseño de unidades de transferencia robótica reside en programarlas para que se sincronicen con la articulación de los brazos robóticos que transportan. El segundo mayor reto es lograr que las UTR mantengan un movimiento lineal preciso a lo largo de varios metros.

Cumplir con los requisitos físicos para las carreras largas
A veces, la velocidad es el objetivo primordial en el diseño de las RTU. Esto es especialmente cierto cuando las RTU transportan robots a más de sesenta metros o incluso más en configuraciones especializadas. La alta velocidad en el contexto de robots en movimiento —a veces con 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 objetivo primordial en el diseño de las RTU. Consideremos, por ejemplo, una aplicación donde un robot asiste a una célula de trabajo cooperativa en tareas de 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 pista.

En cambio, si una aplicación utiliza un brazo robótico para tareas que exigen controles adaptativos pero que no dependen tanto de la precisión absoluta, podrían funcionar otras configuraciones. Esto incluso podría 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 RTU, ya que suelen estar asociadas a más de una función de la planta y a varias otras máquinas. Por lo tanto, las paradas de las RTU a menudo dejan fuera de servicio otras estaciones.

La seguridad integrada también es importante porque muchas RTU trasladan 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 se desplazan 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 tensar la correa y acelerar rápidamente. Sin embargo, a medida que alcanzan mayores distancias, pueden surgir problemas de comba en las correas si el sistema no puede mantener la tensión en toda su longitud. En otras palabras, el problema no radica en la limitación de la carga útil, sino en el riesgo de pérdida de movimiento debido a la deformación de la correa.

Existen excepciones a la limitación de escalabilidad. En algunas RTU, los ejes de correa (accionados por un eje de transmisión común) impulsan manivelas armónicas. En estos casos, las transmisiones por correa pueden mantener la precisión para el posicionamiento robótico de carrera larga bajo las condiciones adecuadas. La mayoría de las RTU con transmisión por correa más exitosas utilizan bastidores y guías lineales en orientaciones complementarias para obtener mayor precisión. Algunas de estas RTU con actuadores de riel accionados por correa pueden mantener una repetibilidad de ± 0,025 mm, incluso al mover robots de una tonelada a lo largo de decenas de metros. En estos casos (gracias a los rieles adecuados), los actuadores accionados por correa permiten crear RTU más económicas y flexibles que otras alternativas.

Otra opción para el séptimo eje es un eje accionado por husillo de bolas. Esta configuración soluciona los problemas de vibración y elasticidad que pueden surgir en las transmisiones por correa. Básicamente, un elemento mecánico fijo mantiene el control para lograr 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 cuentan con el soporte adecuado. Esto se debe a que los ejes de los husillos de bolas se flexionan bajo su propio peso. Entonces, a la velocidad crítica (que depende del diámetro del eje, 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.

Algunos sistemas utilizan bloques de cojinetes que se separan y se pliegan, manteniendo su posición y soportando el tornillo para una mayor extensión sin vibraciones. Sin embargo, para pistas accionadas por husillos de bolas extralargas, 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 extragrande para solucionar el problema de las vibraciones. Las carreras de algunos de estos sistemas basados ​​en husillos de bolas alcanzan los 10 metros y las 4000 rpm. Otra consideración importante: los tornillos en las pistas de los robots necesitan protección contra la suciedad y los residuos. No obstante, en los casos en que funcionan, las unidades de transmisión rápida (RTU) que utilizan motores eléctricos acoplados a husillos de bolas soportan cargas mayores que los ejes accionados por correa.

También existen sistemas hidráulicos para configuraciones de carrera larga. Estas unidades de transferencia neumáticas (RTU) suelen ser una solución económica para aplicaciones que solo requieren posicionamiento de dos paradas en ambos sentidos. Los modelos estándar alcanzan una velocidad de 2 m/s y se integran con otros sistemas de control del robot.

Motores lineales para RTU de precisión
Las RTU de carrera larga (para uso en robótica de laboratorio, por ejemplo) pueden utilizar accionamientos de motores lineales. 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.

Lo más habitual es que el alcance de un motor lineal sea de unos cuatro metros. Este alcance es más adecuado para aplicaciones de manipulación de obleas de semiconductores y sistemas de recogida y colocación que para aplicaciones más exigentes en unidades de tratamiento de residuos (RTU). En resumen, los motores lineales en RTU presentan un desafío particular, ya que, además de ofrecer precisión mecánica, deben soportar cargas pesadas. Esto requiere una mayor cantidad de los costosos imanes permanentes que les confieren su excelente rendimiento.

Existen excepciones. Se encargó y fabricó a medida una RTU con actuadores lineales en tándem, que ostenta un récord mundial, para un sistema de automatización que requería movimientos de precisión de hasta 12 m. Los rieles de soporte de aluminio rígido 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.

Conjuntos de cremallera y piñón para RTU
Las unidades de robot (RTU) disponibles comercialmente que utilizan conjuntos de cremallera y piñón son las más comunes. Suelen alcanzar longitudes de hasta 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 carreras de 30 metros gracias a la combinación de un servomotor de CA sin escobillas y una caja reductora planetaria con conjuntos de cremallera y piñón helicoidales rectificados. Otras configuraciones utilizan un carro que se desplaza sobre un riel de un solo borde mediante rodillos de alta resistencia montados en un bloque. En este caso, los rieles suelen ser rectangulares con una cremallera mecanizada en un borde interior. Estos pueden unirse con segmentos curvos cuando esta disposición resulta útil.

Algunas unidades de transporte (RTU) que desplazan el robot sobre la plataforma móvil emplean raíles de acero endurecido de superficie plana, combinados con grupos de seguidores de leva. Otras utilizan un motor eléctrico con un reductor helicoidal cónico y una correa para accionar la plataforma. En el eje longitudinal de la lanzadera, la RTU incorpora un motorreductor eléctrico que acciona un piñón que engrana con una cremallera.

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 primeras iteraciones de diseño suelen realizarse mediante programación offline en PC. Una vez que el personal instala el robot y la RTU, el software de programación genera el código que se carga en los controles. El software guía la RTU y el robot a través de trayectorias programadas para detectar posibles problemas. A continuación, el instalador utiliza un mando 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 mando para toda la configuración y luego ajustar las trayectorias en la parte posterior, un enfoque cada vez más común.

Advertencia: las RTU complican la calibración del robot
Tras la instalación física, las RTU y los robots requieren calibración. El problema radica en que los robots industriales, al combinarse con RTU, suelen realizar movimientos repetibles pero no precisos, 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 y un motor sin juego, y un controlador realiza el seguimiento de todos ellos 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 holgura (principalmente debido a la flexibilidad mecánica). Por lo tanto, los controles a menudo deben compensar errores de posición del orden de milímetros en algunos casos.

La calibración tradicional de robots utiliza un costoso sistema de alineación láser. En ocasiones, esto puede reducir el error de salida hasta veinte veces. De lo contrario, los fabricantes de robots ofrecen calibración de fábrica. Las empresas especializadas en calibración de robots también ofrecen servicios que tienen en cuenta 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 de calibración mecánicos son otra opción, aunque son más difíciles de aplicar a robots que se desplazan sobre orugas largas.