Progettare un'automazione completa per applicazioni pick-and-place ad alta velocità è uno dei compiti più impegnativi per gli ingegneri del movimento. Con l'aumentare della complessità dei sistemi robotici e l'aumento costante dei ritmi di produzione, i progettisti di sistemi devono stare al passo con le tecnologie più recenti, altrimenti si rischia di specificare un progetto non ottimale. Esaminiamo alcune delle tecnologie e dei componenti più recenti disponibili, analizzando attentamente i loro utilizzi.

I bracci robotici si adattano a design compatti

I bracci robotici industriali non sono generalmente noti per la loro leggerezza. Piuttosto, la maggior parte di essi presenta strutture robuste che devono supportare pesanti utensili di presa. Nonostante i vantaggi di un design robusto, questi bracci robotici sono troppo pesanti e ingombranti per applicazioni delicate. Per rendere i bracci più agili più adatti a compiti leggeri, gli ingegneri di igus Inc., che lavorano a Colonia, in Germania, hanno deciso di sviluppare un giunto multiasse che consenta a piccoli carichi di ruotare attorno a un braccio. Il nuovo giunto è ideale per applicazioni delicate di pick-and-place in cui la forza di presa può essere regolata in base alle esigenze.

Flessibilità e leggerezza sono parametri progettuali chiave per il nuovo giunto, costituito da comandi in plastica e cavi. In breve, i cavi vengono mossi dall'articolazione della spalla del braccio tramite servomotori brushless DC compatti FAULHABER, che impediscono l'inerzia del braccio, facilitano il movimento dinamico e riducono al minimo l'ingombro.

Gli ingegneri hanno basato gran parte del loro progetto sull'articolazione del gomito umano, quindi due gradi di libertà (DOF) – rotazione e rotazione – sono combinati in un unico giunto. Analogamente a un braccio umano, la parte più debole del braccio robotico non sono le ossa (il tubo del corpo del braccio robotico) o i muscoli (il motore di azionamento), ma i tendini, che trasferiscono la potenza. In questo caso, i cavi di controllo ad alta tensione sono realizzati in polietilene UHMW-PE super resistente con una resistenza alla trazione da 3.000 a 4.000 N/mm². Oltre alle tradizionali funzioni del braccio robotico, come le applicazioni pick-and-place, il giunto è adatto anche per speciali accessori per telecamere, sensori o altri utensili che richiedono una struttura leggera. Un sensore di posizione angolare magnetico è integrato in ogni giunto per un'elevata precisione.

I servomotori a commutazione elettronica presentano una massa in movimento ridotta, ideale per l'impiego dinamico: la tensione di esercizio di 24 Vdc è progettata per l'alimentazione a batteria, fondamentale per l'impiego in applicazioni mobili, mentre la coppia del motore di 97 mNm aumenta i riduttori epicicloidali, compatibili con il diametro, ai valori richiesti per il funzionamento del braccio. Inoltre, questi azionamenti brushless non presentano componenti soggetti a usura, fatta eccezione per il cuscinetto del rotore, garantendo una durata di decine di migliaia di ore.

Il sistema di movimento lineare velocizza l'automazione di laboratorio

Oltre alle tradizionali operazioni di confezionamento e assemblaggio, il pick-and-place 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 che i laboratori biotecnologici di oggi gestiscano. 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 di oltre 200.000 campioni all'ora. RoToR è prodotto da Singer Instruments, Somerset, Regno Unito, e viene utilizzato come sistema di automazione da banco per la ricerca genetica, genomica e oncologica. Uno di questi robot serve spesso diversi laboratori, con gli scienziati che riservano brevi intervalli di tempo per la replicazione, l'accoppiamento, il riarrangiamento e il backup di librerie di batteri e lieviti.

Un controller in tempo reale gestisce i tre assi di movimento che coordinano i movimenti di ancoraggio punto-punto del robot, nonché un asse di gestione dei campioni, e si interfaccia anche con l'interfaccia utente grafica del robot. Inoltre, il controller gestisce anche tutti i canali I/O.

Oltre al controller, Baldor ha fornito anche un servomotore lineare e un azionamento, nonché tre moduli integrati di motore passo-passo e azionamento. Il robot esegue trasferimenti punto-punto dalle piastre di origine a quelle di destinazione lungo un asse di servomotore lineare che corre lungo la larghezza della macchina. Questo asse supporta una testa con motore passo-passo a due assi che controlla l'azione di fissaggio. Infatti, il movimento combinato XYZ può persino mescolare i campioni utilizzando un complesso movimento elicoidale. L'asse separato del motore passo-passo controlla il meccanismo di caricamento delle teste dei perni. Pinze e rotatori pneumatici controllano altri movimenti della macchina, come il prelievo e lo smaltimento delle teste dei perni all'inizio e alla fine delle operazioni.

Inizialmente Singer intendeva utilizzare un azionamento pneumatico per l'asse trasversale principale, ma questo progetto non forniva la risoluzione o la velocità di posizionamento desiderate ed era troppo rumoroso per un ambiente di laboratorio. Fu allora che gli ingegneri iniziarono a prendere in considerazione i motori lineari. Baldor creò un servomotore lineare brushless personalizzato con modifiche meccaniche alla guida lineare, consentendone il supporto solo alle estremità, anziché longitudinalmente, in modo che il forcer del motore fungesse da portale sull'asse X che supportava gli assi Y e Z. Infine, il design del magnete del motore lineare riduce al minimo il cogging per consentire un movimento fluido.