Progettare un'automazione completa per applicazioni di prelievo e posizionamento ad alta velocità è una delle sfide più impegnative per gli ingegneri del movimento. Con la crescente complessità dei sistemi robotici e l'aumento costante dei ritmi di produzione, i progettisti di sistemi devono tenersi al passo con le ultime tecnologie, pena il rischio di realizzare un progetto non ottimale. Esaminiamo alcune delle tecnologie e dei componenti più recenti disponibili, analizzando nel dettaglio le loro applicazioni.

Bracci robotici per tute dal design compatto

I bracci robotici industriali non sono certo noti per la loro agilità. Al contrario, la maggior parte di essi presenta strutture robuste che devono supportare utensili pesanti all'estremità del braccio. Nonostante i vantaggi di un design robusto, questi bracci robotici risultano troppo pesanti e ingombranti per applicazioni delicate. Per rendere i bracci più agili e adatti a compiti leggeri, gli ingegneri di igus Inc., con sede a Colonia, in Germania, hanno sviluppato un giunto multiassiale che consentisse la rotazione di piccoli carichi attorno a un braccio. Il nuovo giunto è particolarmente indicato per delicate applicazioni di prelievo e posizionamento, dove la forza di presa può essere regolata in base alle necessità.

Flessibilità e leggerezza sono parametri di progettazione fondamentali per la nuova articolazione, realizzata in plastica e dotata di comandi a cavo. In breve, i cavi vengono movimentati dall'articolazione della spalla del braccio tramite servomotori brushless a corrente continua compatti FAULHABER, che eliminano l'inerzia del braccio, facilitano i movimenti dinamici e riducono al minimo l'ingombro.

Gli ingegneri hanno basato gran parte del loro progetto sull'articolazione del gomito umano, combinando così due gradi di libertà (rotazione e inclinazione) in un'unica articolazione. Analogamente a un braccio umano, la parte più debole del braccio robotico non sono le ossa (il corpo tubolare del braccio robotico) o i muscoli (il motore di azionamento), bensì i tendini, che trasmettono la potenza. In questo caso, i cavi di controllo ad alta tensione sono realizzati in un materiale di polietilene UHMW-PE super resistente, con una resistenza alla trazione da 3.000 a 4.000 N/mm². Oltre alle tradizionali funzioni di un braccio robotico, come le applicazioni di prelievo e posizionamento, l'articolazione è adatta anche per l'installazione di telecamere, sensori o altri strumenti in cui è richiesta una costruzione leggera. Un sensore magnetico di posizione angolare è integrato in ogni articolazione per garantire un'elevata precisione.

I servomotori a commutazione elettronica presentano una massa mobile ridotta, ideale per l'utilizzo dinamico: la tensione di alimentazione di 24 Vdc è progettata per l'alimentazione a batteria, fondamentale per le applicazioni mobili, mentre la coppia del motore di 97 mNm aumenta la capacità dei riduttori epicicloidali, adattabili al diametro, ai valori richiesti per il funzionamento del braccio robotico. Inoltre, questi azionamenti brushless non presentano componenti soggetti a usura, ad eccezione del cuscinetto del rotore, garantendo una durata di decine di migliaia di ore.

Il sistema di movimento lineare accelera l'automazione di laboratorio.

Oltre alle tradizionali operazioni di confezionamento e assemblaggio, il prelievo e posizionamento si sta diffondendo anche nell'automazione di laboratorio ad alta velocità. Immaginate di manipolare milioni di campioni di batteri ogni giorno e avrete un'idea di cosa ci si aspetta dai moderni laboratori biotecnologici. In una configurazione, un sistema di movimento lineare avanzato consente a un robot da laboratorio biotecnologico chiamato RoToR di fissare array di cellule a velocità record, superando i 200.000 campioni all'ora. RoToR è prodotto da Singer Instruments, con sede nel Somerset, Regno Unito, ed è utilizzato come sistema di automazione da banco per la ricerca genetica, genomica e sul cancro. Uno di questi robot serve spesso diversi laboratori, con gli scienziati che prenotano brevi intervalli di tempo per replicare, coniugare, riorganizzare e creare backup di librerie di batteri e lieviti.

Un controller in tempo reale gestisce i tre assi di movimento che coordinano gli spostamenti punto a punto del robot per il fissaggio dei campioni, nonché un asse per la manipolazione dei campioni, e si interfaccia anche con l'interfaccia grafica del robot. Inoltre, il controller gestisce anche tutti i canali di I/O.

Oltre al controller, Baldor ha fornito anche un servomotore lineare con azionamento e tre moduli integrati con motore passo-passo e azionamento. Il robot effettua trasferimenti punto a punto dalle piastre di origine a quelle di destinazione lungo un asse lineare con servomotore che si estende per tutta la larghezza della macchina. Questo asse supporta una testa con motore passo-passo a due assi che controlla l'azione di aggancio. In effetti, il movimento combinato XYZ può persino agitare i campioni utilizzando un complesso movimento elicoidale. Un asse separato con motore passo-passo controlla il meccanismo di caricamento delle testine. Pinze e rotatori pneumatici controllano altri movimenti della macchina, come il prelievo e lo smaltimento delle testine all'inizio e alla fine delle operazioni.

Inizialmente Singer aveva previsto di utilizzare un azionamento pneumatico per l'asse trasversale principale, ma questa soluzione non garantiva la risoluzione e la velocità di posizionamento desiderate, ed era troppo rumorosa per un ambiente di laboratorio. Fu allora che gli ingegneri iniziarono a considerare i motori lineari. Baldor creò un servomotore lineare brushless personalizzato con modifiche meccaniche alla guida lineare, che consentivano di supportarlo solo alle estremità, anziché lungo la sua lunghezza: in questo modo, il motore fungeva da portale per l'asse X che supportava gli assi Y e Z. Infine, il design del magnete del motore lineare riduceva al minimo l'effetto cogging, consentendo un movimento fluido.