I sistemi di posizionamento robotizzato sono lunghi binari utilizzati in magazzini, impianti aerospaziali e stabilimenti automobilistici per consentire a un singolo robot di svolgere più compiti. Chiamati anche unità di trasferimento robotizzato (RTU) o sistemi a 7° asse, questi sistemi di movimentazione sono sempre più diffusi per l'assemblaggio, la saldatura su larga scala e la gestione dei magazzini.

A differenza delle configurazioni tipiche in cui un robot è fissato al pavimento, le RTU (Robot Terminal Unit) spostano i robot all'interno di celle di lavoro e fabbriche, trasferendoli tra le diverse postazioni. Le configurazioni ideali per le RTU sono quelle in fase di costruzione o quelle in cui i processi e le relative macchine possono essere disposti in fila retta. Quando le RTU movimentano robot a sei assi, i binari lineari vengono 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 una struttura, inclusi i telai a cui il robot è sospeso, vengono definiti portali.

Indipendentemente dalla morfologia del robot o del binario, lo scopo dell'asse aggiuntivo è quello di aggiungere movimento traslazionale. Questo estende l'area di lavoro o consente al robot di trasportare pezzi o utensili. In alcune configurazioni, il primo caso permette a un robot di gestire più macchine, prelevare pallet da file o lavorare componenti di grandi dimensioni. Nel secondo caso, le applicazioni più comuni includono imballaggio, saldatura, taglio al plasma e altre operazioni meccaniche.

In questa sede ci concentriamo sulle opzioni di azionamento per le RTU. Tuttavia, è importante notare che i progettisti devono anche scegliere tra una vasta gamma di guide e cuscinetti (solitamente sotto forma di rullini o guide profilate).

Le opzioni di progettazione e azionamento per le RTU sono numerose.
Sebbene alcuni portali includano telai per invertire i robot e sospenderli per un migliore accesso alle macchine dall'alto, le RTU (Remote Terminal Unit) che si fissano al pavimento e orientano il robot in posizione verticale sono le più comuni. Queste RTU hanno in media una maggiore capacità di carico, trasportando bracci robotici e carichi afferrati del peso di migliaia di chilogrammi.

Gli ingegneri possono acquistare RTU pre-ingegnerizzate o costruirle internamente sfruttando le proprie competenze nei sistemi di movimentazione. Le soluzioni più semplici sono costituite da coppie di binari lineari che supportano piattaforme a cui il robot si fissa tramite bulloni. Tuttavia, molti produttori di apparecchiature originali (OEM) si affidano a integratori specializzati per le situazioni in cui i robot su RTU devono eseguire lavori di alta precisione, ad esempio operazioni di taglio (in cui la progettazione deve sincronizzare l'articolazione di più assi) o lo spostamento di pezzi fusi attraverso diverse macchine utensili per la lavorazione.

La sfida più grande nella progettazione di unità robotizzate di trasferimento (RTU) è programmarle per sincronizzarsi con l'articolazione dei bracci robotici che trasportano. La seconda sfida più grande è fare in modo che le RTU mantengano un movimento lineare preciso su lunghe distanze.

Soddisfare i requisiti fisici per le bracciate lunghe
A volte la velocità è l'obiettivo di progettazione prioritario per le RTU. Ciò è particolarmente vero quando le RTU trasportano robot su distanze superiori a diverse centinaia di metri, o anche di più in configurazioni specializzate. L'alta velocità, nel contesto di robot in movimento – a volte bracci che pesano migliaia di chilogrammi più i loro carichi utili – è relativa. Tuttavia, alcune RTU possono muoversi a oltre 3 metri al secondo con un'accelerazione fino a 1 g.

Spesso, però, la precisione è l'obiettivo prioritario nella progettazione di un'unità robotizzata. Si consideri, ad esempio, un'applicazione in cui un robot assiste una cella di lavoro cooperativa nelle operazioni di lavorazione. In questo caso, la velocità e l'estensione del raggio d'azione del robot sono utili solo se la struttura circostante è in grado di garantire un'elevata precisione. Tali progetti richiedono spesso una precisione di 0,02 mm e una ripetibilità del posizionamento di circa 0,2 mm durante i movimenti sui binari.

Al contrario, se un'applicazione utilizza un braccio robotico per compiti che mettono alla prova i controlli adattivi ma sono meno dipendenti 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 container.

Indipendentemente dal design, la bassa manutenzione e la lunga durata sono cruciali per tutti gli impianti RTU, poiché di solito sono associati a più funzioni dell'impianto e a diverse altre apparecchiature. Pertanto, i tempi di inattività di un RTU spesso mettono fuori servizio anche altre stazioni.

La sicurezza integrata è importante anche perché molte RTU spostano robot attraverso aree popolate da attrezzature costose come macchine utensili o persino da operai, soprattutto quando operano in prossimità di zone con personale addetto all'assemblaggio.

Cinghie, viti e componenti pneumatici per RTU
I portali robotizzati che percorrono distanze lineari di media lunghezza utilizzano spesso motori abbinati a trasmissioni a cinghia. Si tratta di sistemi relativamente semplici che impiegano pulegge azionate da motori elettrici per creare tensione lungo una cinghia e accelerare rapidamente. Tuttavia, con l'aumentare della lunghezza della corsa, possono sorgere problemi di cedimento delle cinghie se il sistema non riesce a mantenere la tensione per tutta la loro lunghezza. È importante precisare che il problema non risiede nella limitazione del carico utile, bensì nel rischio di perdita di movimento dovuta alla cedevolezza della cinghia.

Esistono delle eccezioni alla limitazione della scalabilità. In alcune RTU, gli assi a cinghia (azionati da un albero motore comune) azionano manovelle armoniche. In questo caso, le trasmissioni a cinghia possono mantenere la precisione per il posizionamento robotico a corsa lunga, a patto che siano conformi alle condizioni. Le RTU a cinghia di maggior successo utilizzano telai e binari lineari con orientamenti complementari per ottenere una maggiore precisione dal sistema a cinghia. Alcune di queste RTU con attuatori a rotaia azionati a cinghia possono raggiungere una ripetibilità di ± 0,001 pollici, anche spostando robot da una tonnellata su distanze di decine di metri. In questo caso (grazie ai binari giusti), gli attuatori a cinghia rendono le RTU più economiche e flessibili rispetto alle alternative.

Un'altra opzione per il settimo asse è un asse azionato da una vite a ricircolo di sfere. Questa configurazione risolve i problemi di vibrazioni e elasticità che possono verificarsi nelle trasmissioni a cinghia. In sostanza, un elemento meccanico fisso mantiene il controllo per un arresto e un posizionamento precisi.

Le viti a ricircolo di sfere funzionano generalmente bene in configurazioni fino a circa sei metri di lunghezza, con l'ausilio di supporti a cuscinetti intermittenti. Su assi più lunghi, il problema principale è che le viti vibrano ad alte velocità, soprattutto se non sono sufficientemente supportate. Questo accade perché gli alberi delle viti a ricircolo di sfere si flettono sotto il proprio peso. Quindi, alla velocità critica (che dipende dal diametro dell'albero, dalla rettilineità, dall'allineamento e dalla 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.

Alcuni sistemi utilizzano blocchi di supporto che si separano e si ripiegano, rimanendo poi in posizione e sostenendo la vite per un'estensione maggiore senza oscillazioni. Tuttavia, per i cingoli extra-lunghi azionati da viti a ricircolo di sfere, i produttori devono unire più viti (di solito con colla anziché saldatura per evitare deformazioni geometriche). In alternativa, la vite deve avere un diametro extra-large per risolvere il problema delle oscillazioni. Le corse di alcuni di questi sistemi basati su viti a ricircolo di sfere raggiungono i 10 metri e i 4.000 giri al minuto. Un'altra avvertenza: le viti nei cingoli dei robot devono essere protette da polvere e detriti. Tuttavia, laddove funzionano, le RTU che utilizzano motori elettrici accoppiati a viti a ricircolo di sfere gestiscono carichi maggiori rispetto agli assi azionati a cinghia.

Esistono anche sistemi oleodinamici per configurazioni a corsa lunga. Tali RTU pneumatici rappresentano solitamente una soluzione economica per applicazioni che richiedono solo un posizionamento avanti e indietro a due posizioni. Le offerte medie si muovono a 2 m/sec e si integrano con altri sistemi di controllo del robot.

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

In genere, la portata di un motore lineare è di circa quattro metri. Tale portata è più adatta per operazioni di prelievo e posizionamento e per la movimentazione di wafer di semiconduttori che per applicazioni più impegnative nelle RTU (Remote Terminal Unit). In breve, i motori lineari nelle RTU rappresentano una sfida particolare perché, pur garantendo un'elevata precisione meccanica, devono essere in grado di gestire carichi pesanti. Ciò richiede un maggior numero di costosi magneti permanenti, elementi fondamentali per le prestazioni elevate dei motori lineari.

Ci sono delle eccezioni. Un'unità RTU da record mondiale con attuatori lineari in tandem è stata commissionata e costruita su misura per un sistema di automazione che richiedeva movimenti di precisione fino a 12 m. Rigide guide di supporto in alluminio lavorano con due cuscinetti a sfere a ricircolo di sfere lineari a sei file e relativi gruppi di guide. Due motori lineari sincroni a fessura erogano una forza di 4.200 N.

Sistemi a cremagliera e pignone per RTU
Le unità robotizzate lineari (RTU) disponibili in commercio utilizzano sistemi a cremagliera e pignone. Le lunghezze tipiche raggiungono i 15 metri. Il controllo dell'unità lineare è integrato come asse accoppiato matematicamente nel controllore del robot, eliminando la necessità di un controllore aggiuntivo. Molte di queste RTU mantengono la precisione anche per corse di 30 metri, grazie all'abbinamento di un servomotore CA brushless e di un riduttore epicicloidale con sistemi a cremagliera e pignone elicoidali rettificati. Altre configurazioni utilizzano un carrello che si muove su una guida a bordo singolo su rulli per carichi pesanti in un blocco. In questo caso, le guide sono solitamente rettangolari con una cremagliera ricavata in un bordo interno. Queste possono essere unite con segmenti curvi laddove questa configurazione risulti utile.

Alcune RTU che muovono il robot sulla piattaforma mobile utilizzano guide a superficie piana in acciaio temprato, abbinate a gruppi di camme e punterie. Altre utilizzano un motore elettrico con riduttore a ingranaggi conici elicoidali e cinghia per azionare la piattaforma. Infine, sull'asse lungo della navetta, la RTU è dotata di un motoriduttore elettrico che aziona un pignone accoppiato a una cremagliera.

Simulazione e programmazione di RTU
Esistono strumenti che permettono agli ingegneri di pianificare i percorsi delle RTU e di coordinarli con le funzioni del robot. Software di simulazione robotica e persino alcuni moduli di controllo del movimento permettono agli ingegneri di pianificare i percorsi, caricare il software risultante su un controller e quindi controllare il robot e la RTU con un unico dispositivo hardware.

Un'altra opzione è rappresentata dai software di aziende specializzate che vendono kit di sviluppo per robot, i quali consentono di programmare praticamente qualsiasi marca di robot tramite API. Questi e innumerevoli altri strumenti software semplificano la configurazione dei robot come mai prima d'ora, soprattutto per i team con una moderata esperienza nel controllo del movimento o nelle macchine a controllo numerico (CNC). Le iterazioni iniziali della progettazione avvengono solitamente tramite programmazione offline su PC. Successivamente, quando il personale installa il robot e l'unità di controllo remoto (RTU), il software di programmazione genera il codice che viene caricato sui comandi. Il software guida l'RTU e il robot lungo percorsi programmati per testare la presenza di problemi. In seguito, l'installatore utilizza un pannello di controllo per posizionare la pinza, la taglierina o l'effettore finale del robot in punti specifici dello spazio, mentre il controller registra i movimenti. In alternativa, gli installatori possono utilizzare un pannello di controllo per l'intera configurazione e poi perfezionare le traiettorie in un secondo momento, un approccio sempre più diffuso.

Avvertenza: le RTU complicano la calibrazione del robot
Dopo l'installazione 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 precisi, producendo quindi 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 sono costituiti da un riduttore a gioco zero e un motore, e un controllore li traccia tutti tramite encoder ad alta risoluzione. Aumentare ulteriormente la precisione del movimento in uscita diventa costoso, poiché gli assemblaggi e i componenti come gli ingranaggi introducono un gioco (principalmente dovuto alla cedevolezza meccanica). Pertanto, i sistemi di controllo devono spesso compensare errori di posizionamento dell'ordine dei millimetri in alcuni casi.

La calibrazione tradizionale dei robot si basa su costosi allineamenti laser. A volte questo può ridurre l'errore di output di venti volte. In alternativa, i produttori di robot offrono la calibrazione in fabbrica. Aziende specializzate nella calibrazione dei robot offrono anche servizi in grado di tenere conto dell'effetto di un'unità RTU aggiuntiva sulla precisione complessiva del robot. In alternativa, i sensori a doppia telecamera consentono l'ispezione a sonda e la misurazione dinamica tramite ottiche e illuminazione speciale. Le modalità di calibrazione meccanica rappresentano un'altra opzione, sebbene siano più difficili da applicare ai robot su cingoli lunghi.