Sistemas de posicionamento de robôs são trilhos longos em instalações de armazéns, aeroespaciais e automotivas, permitindo que um robô execute múltiplas tarefas. Também chamados de unidades de transferência de robôs ou RTUs ou sistemas de 7º eixo, esses projetos de movimento são cada vez mais comuns em montagens, soldagem em larga escala e armazenagem.

Em contraste com as configurações típicas em que um robô é fixado ao chão, as UTRs movimentam os robôs por células de trabalho e fábricas e os transportam entre estações. As melhores configurações para UTRs são aquelas em fase de construção ou aquelas em que os processos e as máquinas relacionadas podem ser dispostos em uma fileira reta. Onde as UTRs movimentam robôs de seis eixos, as trilhas lineares também são às vezes chamadas de sétimo eixo (ou, menos comumente, quando o próprio robô tem sete graus de liberdade, oitavo eixo). Quando essas trilhas fazem parte de uma estrutura, incluindo as estruturas nas quais o robô se pendura, são chamados de pórticos.

Independentemente da morfologia do robô ou da esteira, o objetivo do eixo extra é adicionar movimento translacional. Isso amplia o envelope de trabalho ou permite que o robô transporte peças ou ferramentas. Em alguns arranjos, o primeiro permite que o robô alimente várias máquinas, retire paletes de fileiras ou usine componentes muito grandes. Para o segundo, as aplicações comuns são embalagem, soldagem, corte a arco de plasma e outras tarefas mecânicas.

Aqui, focamos nas opções de acionamento para RTUs. No entanto, observe que os engenheiros também devem decidir entre uma variedade de guias e rolamentos (geralmente na forma de seguidores de came ou guias de perfil).

As opções de design e acionamento para RTUs são abundantes
Embora alguns pórticos incluam estruturas para inverter os robôs e suspendê-los para facilitar o acesso às máquinas por cima, as UTRs que são aparafusadas ao chão e posicionam o robô na vertical são as mais comuns. Essas UTRs têm, em média, cargas úteis maiores, transportando braços robóticos e cargas agarradas que pesam milhares de libras.

Engenheiros podem comprar UTRs pré-projetadas ou construí-las internamente, utilizando a expertise em sistemas de movimento. As mais simples são pares de trilhos lineares que suportam plataformas às quais o robô se aparafusa. No entanto, muitos OEMs contratam integradores dedicados para situações em que robôs em UTRs realizam trabalhos de alta precisão — por exemplo, uma tarefa de corte (em que o projeto deve sincronizar a articulação de múltiplos eixos) ou a movimentação de peças fundidas por meio de diversas máquinas-ferramentas para processamento.

O maior desafio para a engenharia de unidades de transferência de robôs é programá-las para sincronizar com a articulação dos braços robóticos que carregam. O segundo maior desafio é fazer com que as UTRs mantenham movimento linear preciso ao longo de muitos metros.

Atendendo aos requisitos físicos para golpes longos
Às vezes, a velocidade é o objetivo principal do projeto de uma UTR. Isso é especialmente verdadeiro quando as UTRs levam robôs a mais de algumas centenas de metros ou até mais em configurações especiais. Alta velocidade no contexto de robôs em movimento — às vezes braços pesando milhares de quilos mais suas cargas úteis — é relativa. No entanto, algumas UTRs podem se mover a mais de 3 metros por segundo com aceleração de até 1 g.

Mas, frequentemente, a precisão é o objetivo primordial do projeto de uma UTR. Considere, por exemplo, uma aplicação em que um robô auxilia uma célula de trabalho cooperativa na usinagem. Nesse caso, a velocidade e a extensão do envelope de trabalho do robô só são úteis se a estrutura circundante puder manter a precisão. Esses projetos geralmente exigem precisão de até 0,02 mm e repetibilidade de posicionamento de aproximadamente 0,2 mm durante os movimentos da esteira.

Por outro lado, se uma aplicação utiliza um braço robótico para aplicações que exigem controles adaptativos, mas que são menos dependentes de precisão absoluta, outras configurações podem funcionar. Isso pode até assumir a forma de um veículo móvel equipado com um braço robótico — por exemplo, para descarregar contêineres.

Independentemente do projeto, baixa manutenção e longa vida útil são cruciais para todas as configurações de RTU, pois geralmente estão associadas a mais de uma função da planta e a diversas outras máquinas. Portanto, o tempo de inatividade da RTU frequentemente deixa outras estações fora de operação.

A segurança integrada também é importante porque muitas RTUs movimentam robótica por campos lotados de equipamentos caros, como máquinas-ferramentas ou até mesmo trabalhadores, especialmente quando operam em zonas com pessoal de montagem.

Correias, parafusos e pneumáticos para RTUs
Pórticos robóticos que percorrem distâncias lineares de médio alcance geralmente utilizam motores acoplados a acionamentos por correia. São sistemas relativamente simples que utilizam polias acionadas por motor elétrico para criar tensão ao longo de uma correia e acelerar rapidamente. No entanto, à medida que atingem cursos mais longos, podem surgir problemas com a flacidez das correias, caso o sistema não consiga manter a tensão em todo o seu comprimento. Para ser claro, o problema não é a limitação da carga útil. Em vez disso, é o risco de perda de movimento devido à complacência da correia.

Há exceções à ressalva de escalabilidade. Em algumas UTRs, eixos de correia (acionados por um eixo de transmissão comum) acionam manivelas harmônicas. Nesse caso, os acionamentos por correia podem manter a precisão para posicionamento robótico de curso longo sob as condições corretas. A maioria das UTRs acionadas por correia bem-sucedidas utiliza estruturas e trilhos lineares em orientações complementares para obter maior precisão da configuração acionada por correia. Algumas dessas UTRs com atuadores de trilho acionados por correia podem manter a repetibilidade em ± 0,001 pol., mesmo ao mover robôs de uma tonelada por dezenas de metros. Nesse caso (graças aos trilhos corretos), os atuadores acionados por correia resultam em UTRs mais baratas e flexíveis do que as alternativas.

Outra opção para o sétimo eixo é um eixo acionado por fuso de esferas. Essa configuração aborda a vibração e a formação de molas que podem surgir em acionamentos por correia. Essencialmente, um elemento mecânico fixo mantém o controle para parada e posicionamento precisos.

Parafusos de esferas geralmente funcionam bem em configurações de até seis metros de comprimento com a ajuda de suportes de rolamento intermitentes. Em eixos mais longos, o principal problema é que os parafusos chicoteiam em altas velocidades, especialmente se não tiverem suporte suficiente. Isso ocorre porque os eixos dos parafusos de esferas se dobram sob o próprio peso. Então, na velocidade crítica (uma função do diâmetro do eixo do parafuso, retidão, alinhamento e comprimento sem suporte), o movimento excita a frequência natural do eixo. Portanto, a velocidade máxima diminui à medida que o comprimento do parafuso de esferas aumenta.

Algumas configurações utilizam blocos de apoio que se separam e se contraem — e então permanecem e sustentam o parafuso para uma extensão mais longa sem chicote. No entanto, para trilhos extralongos acionados por fusos de esferas, os fabricantes precisam unir vários parafusos (geralmente com cola em vez de solda para evitar geometria deformada). Caso contrário, o parafuso deve ter um diâmetro extragrande para resolver o problema de chicote. Os cursos de algumas dessas configurações baseadas em fusos de esferas chegam a 10 metros e a 4.000 rpm. Outra ressalva: os parafusos em trilhos de robôs precisam de proteção contra sujeira e detritos. No entanto, onde funcionam, as UTRs que utilizam motores elétricos emparelhados com fusos de esferas suportam cargas maiores do que os eixos acionados por correia.

Também existem sistemas de energia fluida para configurações de curso longo. Essas UTRs pneumáticas geralmente são uma solução de baixo custo para aplicações que exigem apenas posicionamento de dois pontos de avanço e recuo. As opções disponíveis, em média, se movem a 2 m/s e se integram a outros controles de robôs.

Motores lineares para RTUs de precisão
UTRs de curso longo (para uso em robótica de laboratório, por exemplo) podem utilizar acionamentos de motor linear. A maioria dessas UTRs também inclui componentes eletrônicos de última geração, encoders absolutos e controle de movimento para rastreamento de eixos, mesmo após erros ou desligamentos.

O alcance mais típico de um motor linear é de cerca de quatro metros. Esse alcance é mais adequado para aplicações de pick-and-place e manuseio de wafers semicondutores do que para aplicações RTU mais pesadas. Em suma, motores lineares em RTUs são particularmente desafiadores porque oferecem precisão mecânica, mas precisam transportar cargas úteis pesadas. Isso exige mais dos caros ímãs permanentes que garantem o bom desempenho dos motores lineares.

Há exceções. Uma UTR recorde mundial com atuadores lineares tandem foi comissionada e construída sob medida para uma configuração de automação que exigia movimentos precisos de até 12 m. Trilhos de suporte rígidos de alumínio funcionam com dois rolamentos de esferas recirculantes lineares de seis carreiras e conjuntos de guias. Motores lineares síncronos com ranhuras duplas geram uma força de saída de até 4.200 N.

Conjuntos de cremalheira e pinhão para RTUs
As UTRs comercialmente disponíveis que utilizam conjuntos de cremalheira e pinhão são as mais comuns. Os comprimentos típicos chegam a 15 metros. O controle da unidade linear é integrado como um eixo matematicamente acoplado ao controlador do robô, o que elimina a necessidade de um controlador adicional. Muitas dessas UTRs mantêm a precisão até mesmo em cursos de 30 metros, combinando um servomotor CA sem escovas e uma caixa de engrenagens planetárias com conjuntos de cremalheira e pinhão helicoidal aterrados. Outras configurações utilizam um carro que se move sobre um trilho de borda única sobre rolos reforçados em um bloco. Aqui, os trilhos são geralmente retangulares com uma cremalheira cortada em uma borda interna. Estes podem se unir a segmentos curvos onde isso for um layout útil.

Algumas UTRs que movimentam o robô pela plataforma móvel utilizam trilhos de superfície plana feitos de aço temperado e os combinam com conjuntos de cames. Outras utilizam um motor elétrico com redutor cônico helicoidal e correia para alimentar a plataforma. No eixo longo do vaivém, a UTR possui um motoredutor elétrico que aciona um pinhão que engata em uma cremalheira.

Simulação e programação de RTUs
Existem ferramentas que permitem aos engenheiros planejar os trajetos das UTRs e coordená-los com as funções do robô. Softwares de simulação de robôs e até mesmo alguns módulos controladores de movimento permitem que os engenheiros planejem trajetos, carreguem o software resultante em um controlador e, então, controlem o robô e a UTR com esse único hardware.

Outra opção são softwares de empresas especializadas que vendem kits de desenvolvimento de robôs, que permitem a programação de praticamente qualquer marca de robô por meio de APIs. Essas e inúmeras outras ferramentas de software tornam a configuração do robô mais fácil do que nunca, especialmente para equipes com experiência moderada em controle de movimento ou CNC. As iterações iniciais do projeto geralmente ocorrem por meio de programação offline no PC. Então, quando a equipe instala o robô e a UTR, o software de programação gera código que é carregado nos controles. O software conduz a UTR e o robô por caminhos programados para testar se há problemas. Em seguida, o instalador usa um controle remoto para posicionar a garra, o cortador ou o efetor final do robô em pontos específicos da tarefa no espaço, enquanto o controlador registra os movimentos. Caso contrário, os instaladores podem usar um controle remoto para toda a configuração e, em seguida, refinar as trajetórias no backend — uma abordagem cada vez mais comum.

Advertência: as RTUs complicam a calibração do robô
Após a configuração física, as UTRs e os robôs precisam ser calibrados. O problema é que robôs industriais emparelhados com UTRs frequentemente realizam movimentos repetíveis, mas não precisos, gerando movimentos de saída diferentes das aproximações da simulação. Sozinhos, os robôs industriais apresentam repetibilidade unidirecional média de 0,1 mm a 0,01 mm. Eixos típicos combinam um redutor e um motor com folga zero, e um controlador os rastreia com encoders de alta resolução. Aumentar ainda mais a precisão do movimento de saída se torna caro, pois conjuntos e componentes, como engrenagens, introduzem perda de movimento (principalmente devido à complacência mecânica). Portanto, os controles geralmente precisam compensar erros posicionais na escala de milímetros em alguns casos.

A calibração tradicional de robôs utiliza alinhamento a laser dispendioso. Às vezes, isso pode reduzir o erro de saída em vinte vezes. Caso contrário, os fabricantes de robôs oferecem calibração de fábrica. Empresas especializadas em calibração de robôs também oferecem serviços que podem levar em conta o efeito de uma UTR adicional na precisão geral do robô. Sensores de câmera dupla permitem inspeção por sondagem e medição dinâmica por meio de óptica e iluminação especial. Modos mecânicos de calibração são outra opção, embora sejam mais difíceis de aplicar a robôs em pistas longas.