I sistemi di posizionamento robotizzati sono lunghe piste di scorrimento in magazzini, strutture aerospaziali e automobilistiche che consentono a un robot di svolgere più compiti. Chiamati anche unità di trasferimento robotizzate (RTU) o sistemi a 7° asse, questi sistemi di movimento sono sempre più comuni nei settori dell'assemblaggio, della saldatura su larga scala e dello stoccaggio.

A differenza delle configurazioni tipiche in cui un robot viene fissato a un pavimento tramite bulloni, le RTU spostano i robot attraverso celle di lavoro e fabbriche e li spostano tra le stazioni. Le configurazioni migliori per le RTU sono quelle appena costruite o quelle in cui i processi e le macchine correlate possono essere disposti in fila. Quando 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 appeso il robot, si chiamano 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, la prima consente al robot di gestire più macchine o di prelevare pallet da file, o di lavorare componenti di grandi dimensioni. Per la seconda, le applicazioni più comuni sono l'imballaggio, la saldatura, il taglio al plasma e altre attività meccaniche.

Qui ci concentriamo sulle opzioni di azionamento per le RTU. Tuttavia, è importante notare che gli ingegneri devono anche scegliere tra una serie di guide e cuscinetti (solitamente sotto forma di guide a camme o guide profilate).

Le opzioni di progettazione e azionamento per le RTU abbondano
Sebbene alcuni portali includano una struttura per invertire 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, trasportando bracci robotici e carichi afferrati del peso di migliaia di chili.

Gli ingegneri possono acquistare RTU pre-ingegnerizzate o costruirle internamente utilizzando competenze specifiche nei sistemi di movimento. Il modello più semplice è costituito da coppie di binari lineari che supportano le piattaforme su cui il robot si fissa tramite bulloni. Tuttavia, molti OEM si avvalgono di integratori dedicati per le situazioni in cui i robot su RTU devono svolgere lavori ad alta precisione, ad esempio un'operazione di taglio (in cui il progetto deve sincronizzare l'articolazione di più assi) o lo spostamento di getti attraverso diverse macchine utensili per la lavorazione.

La sfida più grande per la progettazione di unità di trasferimento robotizzate è programmarle per sincronizzarle con l'articolazione dei bracci robotici che trasportano. La seconda sfida più grande è far sì che le RTU mantengano un movimento lineare preciso per molti metri.

Soddisfare i requisiti fisici per corse lunghe
A volte la velocità è l'obiettivo primario della progettazione delle RTU. Ciò è particolarmente vero quando le RTU trasportano robot a diverse centinaia di metri o anche di più in configurazioni speciali. L'alta velocità, nel contesto dei robot in movimento – a volte con bracci del peso di migliaia di chili più i loro carichi utili – è relativa. Tuttavia, alcune RTU possono muoversi a più di 3 metri al secondo con un'accelerazione fino a un g.

Spesso, tuttavia, la precisione è l'obiettivo primario della progettazione RTU. Si consideri, ad esempio, un'applicazione in cui un robot supporta una cella di lavoro cooperativa nella lavorazione meccanica. In questo caso, la velocità e l'estensione dell'area di lavoro 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 di posizionamento di circa 0,2 mm durante i movimenti dei binari.

Al contrario, se un'applicazione utilizza un braccio robotico per applicazioni che mettono alla prova i controlli adattivi ma sono meno dipendenti dalla precisione assoluta, altre configurazioni potrebbero funzionare. Potrebbe persino trattarsi di un veicolo mobile dotato di braccio robotico, ad esempio per scaricare container.

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

La sicurezza integrata è importante anche perché molte RTU spostano i robot in campi in cui operano apparecchiature costose come macchine utensili o addirittura operai, soprattutto quando operano in prossimità di zone con personale addetto all'assemblaggio.

Cinghie, viti e pneumatica per RTU
I portali robotici che percorrono distanze lineari medie utilizzano spesso motori abbinati a trasmissioni a cinghia. Si tratta di sistemi relativamente semplici che utilizzano pulegge azionate da motori elettrici per creare tensione lungo una cinghia e accelerare rapidamente. Tuttavia, quando raggiungono corse più lunghe, possono sorgere problemi di cedimento delle cinghie se il sistema non riesce a mantenere la tensione su tutta la lunghezza. Per essere chiari, il problema non è la limitazione del carico utile. Piuttosto, è il 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 nelle giuste condizioni. La maggior parte delle RTU a cinghia di successo utilizza telai e guide lineari con orientamenti complementari per ottenere maggiore precisione dalla configurazione a cinghia. Alcune di queste RTU con attuatori a rotaia a cinghia possono mantenere una ripetibilità di ± 0,001 pollici, anche durante lo spostamento di robot da una tonnellata su decine di metri. In questo caso (grazie alle guide giuste) gli attuatori a cinghia consentono di realizzare RTU più economiche e flessibili rispetto alle alternative.

Un'altra opzione per il settimo asse è un asse azionato da vite a sfere. Questa configurazione risolve il problema delle vibrazioni e del molleggio 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 sfere generalmente funzionano bene in configurazioni lunghe fino a circa sei metri, con l'ausilio di supporti a cuscinetto intermittenti. Su assi più lunghi, il problema principale è che le viti si deformano ad alta velocità, soprattutto se non ricevono un supporto adeguato. Questo perché gli alberi delle viti a sfere si piegano sotto il proprio peso. Quindi, alla velocità critica (funzione del diametro dell'albero della vite, della rettilineità, dell'allineamento e della lunghezza non supportata), il movimento eccita la frequenza naturale dell'albero. Quindi la velocità massima diminuisce all'aumentare della lunghezza della vite a sfere.

Alcune configurazioni utilizzano blocchi di cuscinetti che si separano e si ripiegano insieme, per poi rimanere fermi e sostenere la vite per un'estensione più lunga e senza frusta. Tuttavia, per le piste azionate da viti a sfere extra lunghe, i produttori devono unire più viti (solitamente con colla anziché saldandole per evitare deformazioni della geometria). In caso contrario, la vite deve avere un diametro extra-large per risolvere il problema della frusta. Le corse di alcune di queste configurazioni basate su viti a sfere raggiungono i 10 metri e raggiungono i 4.000 giri al minuto. Un altro avvertimento: le viti nelle piste dei robot devono essere protette da sporco e detriti. Tuttavia, dove funzionano, le RTU che utilizzano motori elettrici abbinati a viti a sfere gestiscono carichi maggiori rispetto agli assi azionati da cinghia.

Esistono anche soluzioni oleodinamiche per configurazioni a corsa lunga. Queste RTU pneumatiche rappresentano solitamente una soluzione economica per applicazioni che richiedono solo un posizionamento avanti e indietro con due arresti. Le soluzioni medie si muovono a 2 m/sec e si integrano con altri controlli robotizzati.

Motori lineari per RTU di precisione
Le RTU a corsa lunga (ad esempio per l'uso nella robotica di laboratorio) possono utilizzare 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.

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

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

Gruppi cremagliera e pignone per RTU
Le RTU disponibili in commercio che utilizzano gruppi pignone e cremagliera sono le più comuni. Le lunghezze tipiche raggiungono i 15 metri. Il controllo dell'unità lineare è integrato come asse matematicamente accoppiato nel controller del robot, eliminando la necessità di un controller aggiuntivo. Molte di queste RTU mantengono la precisione anche su corse di 30 metri abbinando un servomotore brushless a corrente alternata e un riduttore epicicloidale a gruppi pignone e cremagliera elicoidali rettificati. Altre configurazioni utilizzano un carrello che si muove su una rotaia a singolo bordo su rulli per impieghi gravosi in un blocco. In questo caso, le rotaie sono solitamente rettangolari con una cremagliera ricavata in un bordo interno. Queste possono essere unite con segmenti curvi, laddove questa soluzione sia utile.

Alcune RTU che muovono il robot sulla piattaforma mobile utilizzano rotaie a superficie piana in acciaio temprato e le abbinano a gruppi di camme. Altre utilizzano un motore elettrico con un riduttore conico elicoidale e una cinghia per alimentare la piattaforma. Sull'asse lungo della navetta, la RTU è dotata di un motoriduttore elettrico che aziona un pignone che si innesta in una cremagliera.

Simulazione e programmazione di RTU
Esistono strumenti che consentono agli ingegneri di pianificare i percorsi delle RTU e di coordinarli con le funzioni del robot. Il software di simulazione robotica 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 aziende software dedicate che vendono kit di sviluppo per 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 una moderata esperienza nel controllo del movimento o nelle macchine a controllo numerico (CNC). Le iterazioni di progettazione iniziali avvengono solitamente tramite programmazione offline su PC. Successivamente, quando il personale installa il robot e la 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 eventuali problemi. Successivamente, l'installatore utilizza un pendant per posizionare la pinza, la fresa o l'effettore finale del robot in punti specifici dello spazio, mentre il controller registra i movimenti. In alternativa, gli installatori possono utilizzare un pendant per l'intera configurazione e quindi perfezionare le traiettorie sul back-end, 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, 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 abbinano un riduttore e un motore a gioco zero e un controller li tiene tutti tracciati 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 cedevolezza meccanica). Pertanto, i controlli devono spesso compensare errori di posizione nell'ordine dei millimetri in alcuni casi.

La calibrazione tradizionale dei robot utilizza un costoso allineamento laser. A volte questo può ridurre di venti volte l'errore di output. In alternativa, i produttori di robot offrono la calibrazione in fabbrica. Le aziende specializzate nella calibrazione dei robot offrono anche servizi che possono tenere conto dell'effetto di una RTU aggiuntiva sulla precisione complessiva del robot. In alternativa, i sensori a doppia telecamera consentono l'ispezione con sonda e la misurazione dinamica tramite ottica e illuminazione speciale. Le modalità di calibrazione meccanica sono un'altra opzione, sebbene siano più difficili da applicare ai robot su binari lunghi.