I sistemi di posizionamento robot sono lunghi binari in magazzini, strutture aerospaziali e automobilistiche per consentire a un robot di eseguire più attività. Chiamati anche unità di trasferimento robot o RTU o sistemi a 7 assi, questi progetti di movimento sono sempre più comuni per l'assemblaggio, la saldatura su larga scala e lo stoccaggio.

A differenza delle configurazioni tipiche in cui un robot si fissa a un pavimento, le RTU spostano i robot attraverso celle di lavoro e fabbriche e li spostano tra le stazioni. Le migliori configurazioni per le RTU sono quelle appena costruite o quelle in cui i processi e le relative macchine possono essere messi in fila. Laddove le RTU muovono robot a sei assi, i binari lineari sono talvolta chiamati anche settimo asse (o meno comunemente, quando il robot stesso ha sette gradi di libertà, ottavo asse). Quando questi binari fanno parte di un telaio, compresi i telai a cui è sospeso il robot, si chiamano portali.

Indipendentemente dalla morfologia del robot o del binario, lo scopo dell'asse aggiuntivo è aggiungere movimento traslatorio. Ciò estende l'area di lavoro o consente a un robot di trasportare pezzi o strumenti. In alcune soluzioni, il primo consente a un robot di occuparsi di più macchine o di prelevare pallet da file o di lavorare componenti molto grandi. Per quest'ultimo, le applicazioni comuni sono l'imballaggio, la saldatura, il taglio con arco plasma e altre attività meccaniche.

Qui ci concentreremo sulle opzioni di azionamento per le RTU. Tuttavia, si noti che gli ingegneri devono anche decidere tra una serie di guide e cuscinetti (solitamente sotto forma di seguicamma o guide profilate).

Le opzioni di progettazione e azionamento per le RTU abbondano
Sebbene alcuni portali includano una struttura per capovolgere i robot e sospenderli per un migliore accesso alle macchine dall'alto, le RTU che si fissano al pavimento e orientano il robot in posizione verticale sono le più comuni. Queste RTU hanno in media carichi utili più elevati, trasportano bracci robotici e carichi afferrati che pesano migliaia di libbre.

Gli ingegneri possono acquistare RTU preingegnerizzate o costruire RTU internamente sfruttando la propria esperienza nei sistemi di movimento. Le più semplici sono coppie di binari lineari che sostengono piattaforme a cui si fissa il robot. Tuttavia, molti OEM si avvalgono di integratori dedicati per situazioni in cui i robot sulle RTU eseguiranno lavori di alta precisione, ad esempio un'attività di taglio (dove il progetto deve sincronizzare l'articolazione di più assi) o lo spostamento di pezzi fusi attraverso varie macchine utensili per la lavorazione.

La sfida più grande per progettare unità di trasferimento robotiche è programmarle per sincronizzarsi con l’articolazione dei bracci robotici che trasportano. La seconda sfida più grande è far sì che le RTU mantengano un movimento lineare accurato per molti metri.

Soddisfare i requisiti fisici per corse lunghe
A volte la velocità è l'obiettivo principale della progettazione della RTU. Ciò è particolarmente vero quando le RTU portano i robot a distanze di oltre 300 metri o anche più in configurazioni speciali. L’alta velocità nel contesto dei robot in movimento – a volte bracci che pesano migliaia di libbre più il loro carico utile – è relativa. Tuttavia, alcune RTU possono spostarsi a una velocità superiore a 10 piedi/sec con un'accelerazione fino a 1 g.

Ma spesso, l'accuratezza è l'obiettivo principale della progettazione della RTU. Consideriamo ad esempio un'applicazione in cui un robot aiuta una cella di lavoro cooperativa con la lavorazione. In questo caso, la velocità e l’estensione dell’area di lavoro del robot sono utili solo se la struttura circostante riesce a mantenere alta la precisione. Tali progetti spesso richiedono una precisione fino a 0,02 mm e una ripetibilità di posizionamento fino a 0,2 mm circa durante i movimenti del binario.

Al contrario, se un'applicazione utilizza un braccio robotico per applicazioni che mettono alla prova i controlli adattivi ma dipendono meno dalla precisione assoluta, altre configurazioni potrebbero funzionare. Ciò potrebbe anche assumere la forma di un veicolo mobile dotato di un braccio robotico, ad esempio per scaricare i container.

Indipendentemente dal design, la bassa manutenzione e la lunga durata sono fondamentali per tutte le configurazioni RTU, poiché di solito sono associate a più di una funzione dell'impianto e a diversi altri macchinari. Pertanto, i tempi di inattività della RTU spesso mettono fuori servizio altre stazioni.

La sicurezza integrata è importante anche perché molte RTU muovono la robotica attraverso campi popolati da attrezzature costose come macchine utensili o persino lavoratori, soprattutto dove operano intorno a zone con personale di assemblaggio.

Cinghie, viti e pneumatica per RTU
I portali robot che attraversano distanze lineari di medio raggio spesso utilizzano motori accoppiati con trasmissioni a cinghia. Si tratta di sistemi relativamente semplici che utilizzano pulegge azionate da motore elettrico per creare tensione lungo una cinghia e accelerare rapidamente. Tuttavia, quando raggiungono corse più lunghe, possono verificarsi problemi di cedimento delle cinghie se il sistema non riesce a mantenere la tensione per l'intera lunghezza. Per essere chiari, il problema non è la limitazione del carico utile. Piuttosto, c'è il rischio di perdere movimento a causa della cedevolezza della cinghia.

Esistono eccezioni all'avvertenza sulla scalabilità. In alcune RTU, gli assi della cinghia (azionati da un albero motore comune) azionano le manovelle armoniche. Qui, le trasmissioni a cinghia possono mantenere la precisione per il posizionamento robotico a corsa lunga nelle giuste condizioni. Le RTU con trasmissione a cinghia di maggior successo utilizzano inquadrature e binari lineari in orientamenti complementari per ottenere maggiore precisione dalla configurazione con trasmissione a cinghia. Alcune di queste RTU con attuatori su rotaia azionati da cinghia possono mantenere una ripetibilità fino a ± 0,001 pollici, anche durante lo spostamento di robot da una tonnellata su decine di piedi. Qui (grazie alle guide giuste) gli attuatori con trasmissione a cinghia rendono le RTU più economiche e più flessibili rispetto alle alternative.

Un'altra opzione per il settimo asse è un asse azionato da viti a ricircolo di sfere. Questa configurazione risolve le vibrazioni e gli elastici che possono verificarsi nelle trasmissioni a cinghia. Essenzialmente un elemento meccanico fisso mantiene il controllo per un arresto e un posizionamento precisi.

Le viti a ricircolo di sfere generalmente funzionano bene in configurazioni lunghe circa sei metri con l'aiuto di supporti di cuscinetti intermittenti. Sugli assi più lunghi, il problema principale è che le viti sfrecciano ad alta velocità, soprattutto se non ricevono abbastanza supporto. Questo perché gli alberi delle viti a ricircolo di sfere si piegano sotto il proprio peso. Quindi, a velocità critica (una funzione del diametro dell'albero della vite, della rettilineità, dell'allineamento e della lunghezza non supportata) il movimento eccita la frequenza naturale dell'albero. Pertanto la velocità massima diminuisce all'aumentare della lunghezza della vite a ricircolo di sfere.

Alcune configurazioni utilizzano blocchi portanti che si separano e collassano insieme, quindi rimangono e supportano la vite per un'estensione più lunga senza fruste. Tuttavia, per le piste azionate da viti a ricircolo di sfere extra lunghe, i produttori devono unire più viti (di solito con colla invece che con saldatura per evitare geometrie deformate). Altrimenti, la vite deve avere un diametro extra-grande per risolvere il problema della frusta. Le corse di alcune di queste configurazioni basate su viti a ricircolo di sfere raggiungono i 10 metri e raggiungono i 4.000 giri al minuto. Un altro avvertimento: le viti nei binari del robot devono essere protette da sporco e detriti. Tuttavia, dove funzionano, le RTU che utilizzano motori elettrici abbinati a viti a ricircolo di sfere gestiscono carichi maggiori rispetto agli assi con trasmissione a cinghia.

Esiste anche la potenza fluida per configurazioni a corsa lunga. Tali RTU pneumatiche rappresentano solitamente una soluzione a basso costo per applicazioni che richiedono solo il posizionamento avanti e indietro su due fermate. Le offerte medie si muovono di 2 m/sec e si integrano con altri controlli robot.

Motori lineari per RTU di precisione
Le RTU a corsa lunga (per l'uso nella robotica di laboratorio, ad esempio) possono utilizzare azionamenti con motori lineari. La maggior parte di queste RTU includono anche elettronica all'avanguardia, encoder assoluti e controllo del movimento per il tracciamento degli assi, anche dopo errori o arresti.

La portata più tipica di un motore lineare è di quattro metri circa. Tale portata è più adatta per la movimentazione di wafer pick-and-place e semiconduttori rispetto alle applicazioni RTU più pesanti. In breve, i motori lineari nelle RTU sono particolarmente impegnativi perché garantiscono la precisione meccanica ma devono trasportare carichi utili pesanti. Ciò richiede una maggiore quantità di costosi magneti permanenti che consentono ai motori lineari di funzionare così bene.

Ci sono delle eccezioni. Una RTU da record mondiale con attuatori lineari tandem è stata commissionata e costruita su misura per una configurazione di automazione che richiedeva movimenti di precisione fino a 12 m. Le guide di supporto rigide in alluminio funzionano con due cuscinetti lineari a ricircolo di sfere a sei file e gruppi di guide. I motori lineari sincroni a doppia scanalatura emettono una forza fino a 4.200 N.

Set pignone e cremagliera per RTU
Le RTU disponibili in commercio che utilizzano set a pignone e cremagliera sono le più comuni. Le lunghezze tipiche raggiungono i 15 metri. Il controllo dell'unità lineare è integrato come asse accoppiato matematicamente nel controllo del robot, eliminando così la necessità di un controllo aggiuntivo. Molte di queste RTU mantengono la precisione anche fino a corse di 30 metri accoppiando un servomotore AC senza spazzole e un riduttore epicicloidale con gruppi elicoidali a cremagliera e pignone rettificati. Altre configurazioni utilizzano un carrello che si muove su un binario a bordo singolo su rulli per carichi pesanti in un blocco. In questo caso i binari sono generalmente rettangolari con una cremagliera tagliata sul bordo interno. Questi possono unirsi con segmenti curvi dove questo è un layout utile.

Alcune RTU che spostano il robot sulla piattaforma mobile utilizzano binari a superficie piana in acciaio temprato e li accoppiano a gruppi di seguicamma. Altri utilizzano un motore elettrico con riduttore conico elicoidale e cinghia per alimentare la piattaforma. Quindi, sul lungo asse della navetta, la RTU è dotata di un motoriduttore elettrico che aziona un pignone che ingrana una cremagliera.

Simulazione e programmazione RTU
Esistono strumenti per consentire agli ingegneri di pianificare i percorsi delle RTU e coordinarli con le funzioni del robot. Il software di simulazione del robot e persino alcuni moduli di controllo del movimento consentono agli ingegneri di pianificare i percorsi, caricare il software risultante su un controller e quindi controllare il robot e la RTU con quell'unico componente hardware.

Un'altra opzione è il software di società di software dedicate che vendono kit di sviluppo di robot, che consentono la programmazione di quasi tutte le marche di robot tramite API. Questi e una miriade di altri strumenti software rendono la configurazione del robot più semplice che mai, soprattutto per i team con moderata esperienza nel controllo del movimento o nel CNC. Le iterazioni iniziali della progettazione di solito avvengono tramite la programmazione del PC offline. Quindi, quando il personale installa il robot e l'RTU, il software di programmazione genera il codice che viene caricato sui controlli. Il software guida la RTU e il robot attraverso percorsi programmati per verificare la presenza di problemi. Successivamente l'installatore utilizza un pendente per posizionare la pinza, la taglierina o l'effettore finale del robot in punti specifici del lavoro nello spazio mentre il controller registra i movimenti. Altrimenti, gli installatori possono utilizzare un pendente per l'intera configurazione e quindi perfezionare le traiettorie sul backend, un approccio sempre più comune.

Avvertenza: le RTU complicano la calibrazione del robot
Dopo la configurazione fisica, le RTU e i robot necessitano di calibrazione. Il problema è che i robot industriali abbinati alle RTU spesso eseguono movimenti ripetibili ma non accurati, quindi producono un movimento in uscita che differisce dalle approssimazioni della simulazione. Da soli, i robot industriali hanno una ripetibilità unidirezionale media compresa tra 0,1 mm e 0,01 mm. Gli assi tipici accoppiano un riduttore e un motore senza gioco e un controller li tiene traccia tutti con encoder ad alta risoluzione. Aumentare ulteriormente la precisione del movimento in uscita diventa costoso, poiché assemblaggi e componenti come gli ingranaggi introducono perdita di movimento (principalmente a causa della conformità meccanica). Pertanto, in alcuni casi i controlli devono spesso compensare l'errore di posizione sulla scala dei millimetri.

La calibrazione tradizionale dei robot utilizza un costoso allineamento laser. A volte questo può ridurre di venti volte l'errore di output. Altrimenti, i produttori di robot offrono la calibrazione di fabbrica. Le aziende dedicate alla calibrazione dei robot offrono anche servizi che possono tenere conto dell'effetto di una RTU aggiuntiva sulla produzione complessiva di precisione del robot. Altrimenti, i sensori a doppia fotocamera consentono l'ispezione e la misurazione dinamica tramite ottiche e illuminazione speciale. Le modalità meccaniche di calibrazione sono un'altra opzione, sebbene siano più difficili da applicare ai robot su percorsi lunghi.