Os sistemas de posicionamento de robôs são longos caminhos em instalações de armazéns, aeroespaciais e automotivas para permitir 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 para montagem, soldagem em larga escala e armazenamento.

Em contraste com configurações típicas em que um robô é aparafusado ao chão, as UTRs movem os robôs através de células de trabalho e fábricas e os transportam entre as estações. As melhores configurações para UTRs são aquelas que estão sendo construídas ou aquelas onde os processos e máquinas relacionadas podem ser colocados em linha reta. Onde as RTUs movem 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, o oitavo eixo). Quando esses trilhos fazem parte de uma estrutura, incluindo estruturas nas quais o robô está pendurado, eles são pórticos.

Não importa a morfologia do robô ou da pista, o objetivo do eixo extra é adicionar movimento translacional. Isso amplia o envelope de trabalho ou permite que um robô transporte peças de trabalho ou ferramentas. Em alguns arranjos, o primeiro permite que um robô cuide de várias máquinas ou selecione paletes em fileiras ou usine componentes muito grandes. Para este último, as aplicações comuns são embalagem, soldagem, corte a plasma e outras tarefas mecânicas.

Aqui nos concentramos nas opções de acionamento para RTUs. Entretanto, observe que os engenheiros também devem decidir entre uma série de guias e rolamentos (geralmente na forma de seguidores de came ou guias de perfil).

Existem muitas opções de design e acionamento para RTUs
Embora alguns pórticos incluam estruturas para inverter os robôs e suspendê-los para melhor acesso às máquinas por cima, as RTUs que são aparafusadas ao chão e orientam o robô na posição vertical são as mais comuns. Essas RTUs têm, em média, cargas úteis mais altas, transportando braços robóticos e cargas pesadas que pesam milhares de libras.

Os engenheiros podem comprar UTRs pré-projetadas ou construir UTRs internamente usando conhecimento em sistemas de movimento. Os mais simples são pares de trilhos lineares que sustentam plataformas nas quais o robô é aparafusado. No entanto, muitos OEMs contratam integradores dedicados para situações em que os robôs em UTRs realizarão trabalhos de alta precisão – por exemplo, uma tarefa de corte (onde o projeto deve sincronizar a articulação de vários eixos) ou mover peças fundidas através de várias 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 um movimento linear preciso ao longo de muitos metros.

Atendendo aos requisitos físicos para braçadas longas
Às vezes, a velocidade é o principal objetivo do projeto da UTR. Isso é especialmente verdadeiro quando as RTUs levam os robôs a mais de algumas centenas de metros ou até mais em configurações especializadas. A alta velocidade no contexto de robôs em movimento – às vezes braços pesando milhares de libras mais suas cargas – é relativa. No entanto, algumas RTUs podem se mover a mais de 10 pés/seg com aceleração de um g.

Mas muitas vezes, a precisão é o principal objetivo do projeto da UTR. Considere uma aplicação onde um robô ajuda uma célula de trabalho cooperativa na usinagem, por exemplo. Aqui, a rapidez e a extensão do envelope de trabalho do robô só são úteis se a estrutura circundante puder manter a precisão. Esses projetos geralmente precisam de precisão de 0,02 mm e repetibilidade de posicionamento de 0,2 mm ou mais durante os movimentos da pista.

Por outro lado, se um aplicativo usa um braço robótico para aplicativos que colocam controles adaptativos à prova, mas são menos dependentes da precisão absoluta, outras configurações podem funcionar. Isto pode até assumir a forma de um veículo móvel equipado com um braço robótico – por exemplo, para descarregar contentores de transporte.

Independentemente do projeto, a baixa manutenção e a 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 peças de maquinário. Portanto, o tempo de inatividade da RTU muitas vezes tira outras estações de serviço.

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

Correias, parafusos e pneumáticos para UTRs
Os pórticos robóticos que percorrem distâncias lineares médias geralmente usam motores emparelhados com acionamentos por correia. Esses são sistemas relativamente simples que usam 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 se o sistema não conseguir manter a tensão ao longo de todo o comprimento. Para ser claro, o problema não é a limitação da carga útil. Em vez disso, é um risco de perda de movimento devido à conformidade do cinto.

Existem exceções à advertência de escalabilidade. Em algumas RTUs, os eixos da correia (acionados por um eixo de transmissão comum) acionam manivelas harmônicas. Aqui, os acionamentos por correia podem manter a precisão do posicionamento robótico de longo curso nas condições certas. A maioria das UTRs acionadas por correia bem-sucedidas usam estruturas e trilhos lineares em orientações complementares para obter mais precisão da configuração acionada por correia. Algumas dessas RTUs com atuadores de trilho acionados por correia podem manter a repetibilidade de ± 0,001 pol., mesmo enquanto movem robôs de uma tonelada por dezenas de metros. Aqui (graças aos trilhos certos), os atuadores acionados por correia proporcionam UTRs mais baratas e mais flexíveis do que as alternativas.

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

Os parafusos esféricos geralmente funcionam bem em configurações de até seis metros de comprimento com a ajuda de suportes de rolamentos intermitentes. Em eixos mais longos, o principal problema é que os parafusos chicoteiam em altas velocidades, principalmente se não receberem suporte suficiente. Isso ocorre porque os eixos dos parafusos esféricos dobram sob seu próprio peso. Então, na velocidade crítica (uma função do diâmetro do eixo do parafuso, retilineidade, 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 esférico aumenta.

Algumas configurações usam blocos de rolamento que se separam e se juntam - e então permanecem e apoiam o parafuso para uma extensão mais longa e sem chicote. No entanto, para esteiras acionadas por fusos esféricos extralongos, os fabricantes devem unir vários parafusos (geralmente com cola em vez de soldagem para evitar geometria distorcida). Caso contrário, o parafuso deve ter um diâmetro extragrande para resolver o problema do chicote. Os cursos de algumas dessas configurações baseadas em parafusos esféricos atingem 10 metros e atingem 4.000 rpm. Outra advertência: os parafusos nas esteiras dos robôs precisam ser protegidos 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 existe energia fluida para configurações de longo curso. Essas RTUs pneumáticas são geralmente uma solução de baixo custo para aplicações que precisam apenas de posicionamento de dois pontos para frente e para trás. As ofertas médias se movem 2 m/s e se integram a outros controles do robô.

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

O alcance mais típico de um motor linear é de quatro metros ou mais. Esse alcance é mais adequado para manipulação de wafer semicondutor e pick-and-place do que aplicações RTU mais pesadas. Resumindo, os motores lineares em UTRs são particularmente desafiadores porque oferecem precisão mecânica, mas precisam transportar cargas úteis pesadas. Isso exige mais ímãs permanentes caros que fazem os motores lineares funcionarem tão bem.

Existem exceções. Uma RTU recorde mundial com atuadores lineares tandem foi comissionada e construída sob medida para uma configuração de automação que precisa de movimentos de precisão de até 12 m. Os trilhos de suporte de alumínio rígido funcionam com dois rolamentos de esferas recirculantes lineares de seis carreiras e conjuntos de guias. Motores lineares síncronos com fenda dupla produzem força de 4.200 N.

Conjuntos de cremalheira e pinhão para RTUs
As UTRs disponíveis comercialmente 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 acoplado matematicamente no controlador do robô, o que elimina a necessidade de um controlador adicional. Muitas dessas RTUs 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 helicoidais retificados. Outras configurações usam um carro que se move sobre um trilho de borda única em rolos pesados ​​em um bloco. Aqui, os trilhos são geralmente retangulares com um rack cortado na borda interna. Eles podem se unir a segmentos curvos, onde esse é um layout útil.

Algumas UTRs que movem o robô pela plataforma móvel usam trilhos de superfície plana feitos de aço temperado e os combinam com conjuntos de seguidores de came. Outros usam um motor elétrico com redutor cônico helicoidal e correia para alimentar a plataforma. Em seguida, no longo eixo da lançadeira, a RTU possui um motorredutor elétrico acionando um pinhão que engata uma cremalheira.

Simulação e programação de UTRs
Existem ferramentas para permitir que os engenheiros planejem os caminhos das UTRs e os coordenem com as funções do robô. O software de simulação de robô e até mesmo alguns módulos controladores de movimento permitem que os engenheiros planejem trilhas, carreguem o software resultante em um controlador e, em seguida, controlem o robô e a RTU com essa única peça de hardware.

Outra opção são softwares de empresas de software dedicadas que vendem kits de desenvolvimento de robôs, que permitem a programação de quase todas as marcas de robôs 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 controle de movimento moderado ou experiência em CNC. As iterações iniciais do projeto geralmente acontecem por meio da programação offline do PC. Então, quando o pessoal instala o robô e a RTU, o software de programação gera código que é carregado nos controles. O software conduz a RTU e o robô através de caminhos programados para testar problemas. Em seguida, o instalador usa um pendente para posicionar a pinça, o cortador ou o atuador final do robô em pontos específicos do trabalho no espaço, enquanto o controlador registra os movimentos. Caso contrário, os instaladores podem usar um pendente para toda a configuração e depois aprimorar 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 de calibração. O problema é que os robôs industriais emparelhados com RTUs muitas vezes fazem movimentos repetíveis, mas não precisos, produzindo movimentos de saída que diferem das aproximações da simulação. Sozinhos, os robôs industriais têm uma repetibilidade unidirecional média de 0,1 mm a 0,01 mm. Os eixos típicos combinam um redutor e um motor com folga zero, e um controlador rastreia todos eles com codificadores de alta resolução. Aumentar ainda mais a precisão do movimento de saída fica caro, pois conjuntos e componentes como engrenagens introduzem movimento perdido (principalmente devido à conformidade mecânica). Portanto, os controles muitas vezes devem compensar erros de posição na escala de milímetros em alguns casos.

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