Moduli lineari in Robotica e Automazione

I robot sono altamente flessibili all’interno del loro involucro lavorativo, ma molti sistemi di automazione necessitano di movimento oltre tale involucro. Un robot potrebbe dover percorrere diversi metri lungo una linea di produzione, una cella pick-and-place potrebbe aver bisogno di un movimento XYZ coordinato o una docking station AGV potrebbe aver bisogno di un asse lineare compatto per posizionare un dispositivo o un effettore finale.

Questo è dovemoduli lineari nella roboticadiventare importante. Possono fungere da assi di movimento del robot, strutture cartesiane del robot, assi del portale, assi di pallettizzazione o unità di posizionamento secondarie che estendono la portata e la flessibilità del robot principale.

Questa guida spiega comemoduli linearivengono utilizzati nell'automazione robotica, cosa richiede ciascuna applicazione dal sistema di movimento e come gli ingegneri dovrebbero valutare velocità, carico utile, rigidità, sincronizzazione, sicurezza e integrazione prima di selezionare un modulo.

Perché i robot hanno bisogno di assi lineari

Un robot a sei assi offre un’eccellente libertà angolare, ma la sua portata è limitata dalla geometria del braccio. L'aggiunta di un asse lineare consente all'intero robot o all'effettore finale di spostarsi attraverso un'area di lavoro più ampia.

I motivi tipici per aggiungere un modulo lineare includono:

• Estensione della portata del robot lungo una macchina o una linea di produzione
• Servire più stazioni con un solo robot
• Riducendo la necessità di diversi robot fissi
• Creazione di movimenti pick-and-place a lunga percorrenza
• Costruzione di strutture robotiche cartesiane o a portale
• Spostamento degli effettori finali indipendentemente dal braccio del robot
• Posizionamento di dispositivi, vassoi, sensori o strumenti

Regola a livello di sistema:un asse lineare del robot deve essere dimensionato in base all'intero sistema di movimento, non solo al pezzo in lavorazione. La massa del robot, gli strumenti, i cavi, gli impianti e l'accelerazione contribuiscono tutti al carico.

Settimo asse robot: estensione dell'area di lavoro

Un settimo asse del robot è un asse di spostamento lineare che trasporta la base del robot lungo un binario o un modulo. Consente a un robot di accedere a più macchine, pallet o aree di lavoro.

Le applicazioni più comuni includono:

• Assistenza macchine
• Celle di saldatura
• Assemblaggio di grandi parti
• Movimentazione dei materiali
• Ispezione
• Carico e scarico multistazione

Perché la massa del robot modifica la progettazione meccanica

L'asse lineare deve sostenere il robot completo, non solo il carico utile nella pinza del robot. Un robot con un carico utile relativamente modesto può comunque avere una massa di base elevata e generare momenti dinamici sostanziali durante il movimento del braccio.

L'asse lineare dovrebbe quindi essere controllato per:

• Massa totale del robot e degli utensili
• Posizione del baricentro
• Momenti ribaltanti dinamici
• Accelerazione dell'asse ferroviario
• Carichi di arresto di emergenza
• Rigidità della base e del telaio

I viaggi lunghi cambiano la guida preferita

Gli assi di spostamento del robot molto lunghi spesso favoriscono le trasmissioni a pignone e cremagliera o altre trasmissioni scalabili a corsa lunga perché i sistemi basati su viti diventano sempre più limitati dalla velocità critica e dai requisiti di supporto man mano che la lunghezza aumenta.

Per gli assi di movimento del robot più corti e di maggiore precisione, potrebbero essere comunque appropriate le viti a ricircolo di sfere o altre strutture di moduli lineari compatti.

Celle Pick-and-Place: il tempo di ciclo è superiore alla velocità massima

L'automazione pick-and-place è una delle applicazioni più comuni per i moduli lineari. Il sistema può utilizzare un asse singolo, una tavola XY, una disposizione XZ o una struttura cartesiana completa XYZ.

Questi sistemi in genere valorizzano:

• Accelerazione elevata
• Breve tempo di spostamento
• Posizioni di arresto ripetibili
• Massa in movimento ridotta
• Inversione rapida di direzione
• Movimento stabile dell'effettore finale

Perché l'accelerazione può contare più della velocità massima

Se la corsa è breve, l'asse potrebbe non rimanere mai a lungo alla velocità massima. In tal caso, l'accelerazione e la decelerazione dominano il tempo del ciclo.

Un modulo con una velocità massima di catalogo elevata ma un comportamento dinamico scarso potrebbe non avere prestazioni migliori di un asse leggermente più lento che accelera, si stabilizza e inverte in modo più efficiente.

La massa dell'effettore finale deve essere inclusa

Il carico in movimento comprende la pinza, l'attrezzatura per il vuoto, i sensori, i cavi e il prodotto prelevato. Se la pinza è montata lontano dal carrello, il momento di carico risultante potrebbe diventare più importante del carico utile stesso.

Robot cartesiani XYZ e sistemi a portale

I moduli lineari possono essere combinati in strutture robotiche cartesiane in cui ciascun asse controlla il movimento in una direzione lineare.

Le configurazioni tipiche includono:

• Tavole di posizionamento XY
• Unità pick-and-place XZ
• XYZRobot cartesiani
• Sistemi a portale Dual-X
• Portali di pallettizzazione a lunga campata

Gli assi inferiori portano gli assi superiori

In un sistema XYZ, potrebbe essere necessario che l'asse X muova insieme l'asse Y, l'asse Z, i motori, l'effettore finale, i cavi e il pezzo.

Ciò crea un problema di dimensionamento gerarchico:

Dimensioni dallo strumento verso l'esterno.L'asse Z trasporta l'utensile, l'asse Y trasporta Z più l'utensile e l'asse X può trasportare l'assieme YZ completo.

La rigidità della traversa è importante

Nei sistemi a portale, la trave tra due supporti può flettersi sotto il peso del carrello Y o Z e durante l'accelerazione. Ciò influisce sul posizionamento, sulle vibrazioni e sul tempo di assestamento.

Un ampio portale dovrebbe quindi essere valutato come un sistema strutturale, non semplicemente come due robusti moduli lineari collegati da una trave di alluminio.

I portali a doppia unità richiedono la sincronizzazione

I portali di grandi dimensioni possono utilizzare due assi X azionati parallelamente. Ciò migliora la distribuzione del carico e supporta traverse larghe, ma introduce requisiti di sincronizzazione.

Se i due lati non si muovono insieme, il ponte può deformarsi o torcersi.

La sincronizzazione può essere meccanica o elettronica

La sincronizzazione meccanica può utilizzare un albero o una trasmissione comune per collegare entrambi i lati. La sincronizzazione elettronica utilizza due motori e coordina la loro posizione attraverso il sistema di controllo.

I sistemi elettronici a doppia unità richiedono un'attenta considerazione di:

• Strategia di homing
• Corrispondenza di posizione tra entrambi i lati
• Feedback dell'encoder
• Regolazione del servo
• Rigidità del telaio
• Comportamento di arresto di emergenza

Un portale a doppia azionamento non dovrebbe mai fare affidamento sulla sincronizzazione del controllo per compensare uno scarso allineamento meccanico.

Pallettizzazione: portata, carico utile e ripetizione

L'automazione della pallettizzazione spesso richiede lunghi viaggi, ampi spazi di lavoro e movimenti ripetuti di carichi utili moderati o pesanti.

I moduli lineari possono essere utilizzati per:

• Estendi un robot lungo più posizioni pallet
• Realizzare sistemi di pallettizzazione cartesiani
• Sposta gli strumenti di gestione dei livelli
• Posizionare pallet vuoti o interfogli
• Servi diversi trasportatori da un robot

Il ciclo di lavoro è importante

I sistemi di pallettizzazione possono funzionare per molte ore con migliaia di cicli ripetuti. È necessario controllare la durata dei cuscinetti, l'usura della trasmissione, la lubrificazione, il carico termico del motore e la durata del portacavi del modulo, non solo il carico utile di picco.

I grandi carichi utili creano carichi di momento

Scatole, vassoi o pinze possono creare notevoli carichi sospesi. Gli utensili larghi possono generare momenti di beccheggio e imbardata anche quando la massa totale rientra nel carico utile nominale del modulo.

Moduli lineari per il movimento degli effetti finali dei robot

Non tutti gli assi lineari devono spostare la base del robot. I moduli compatti possono essere montati sopra o vicino al robot per aggiungere un grado di libertà lineare controllato all'effettore finale.

Gli esempi includono:

• Spaziatura delle pinze regolabile
• Estensione dello strumento
• Pressatura o inserimento lineare
• Regolazione della telecamera o del sensore
• Meccanismi di centratura delle parti
• Sistemi di movimentazione a passo variabile

Mantenere gli assi degli effetti finali leggeri

Ogni chilogrammo aggiunto al polso del robot riduce il margine di carico utile disponibile e aumenta l’inerzia. I moduli lineari compatti e leggeri sono quindi particolarmente preziosi per il movimento delle estremità del braccio.

La massa del motore, i cavi e le staffe devono essere inclusi nel carico ammissibile del polso e nel calcolo del momento del robot.

Integrazione AGV e AMR: movimento lineare sull'interfaccia mobile

Gli AGV e gli AMR spesso trasportano parti tra le stazioni, ma la piattaforma mobile potrebbe comunque necessitare di un meccanismo di posizionamento lineare per trasferire, allineare o presentare il carico.

I possibili usi includono:

• Estensione di un vassoio in una macchina
• Regolazione della posizione di attracco
• Sollevare o spostare un apparecchio
• Trasferimento di cassette o pallet
• Sensori o connettori di posizionamento

I sistemi mobili introducono nuovi vincoli

Un asse integrato con AGV deve spesso far fronte a una potenza di bordo limitata, vibrazioni durante la corsa, spazio di installazione compatto e tolleranze di attracco ripetute.

Il modulo lineare va valutato per:

• Basso consumo energetico
• Bloccaggio o trattenimento meccanico dove richiesto
• Resistenza alle vibrazioni del trasporto
• Disposizione compatta del motore
• Rilevamento affidabile dei limiti e della casa
• Interazione sicura con le docking station

Tipi di azionamento dell'asse lineare del robot

Come scegliere l'azionamento per un asse robotico

Scegli la vite a ricircolo di sfere quando

L'asse necessita di una corsa relativamente compatta, elevata rigidità, spinta controllata e buone prestazioni di posizionamento.

Scegli la cinghia di distribuzione quando

L'asse necessita di corse più lunghe, alta velocità e movimenti pick-and-place rapidi con requisiti di precisione moderati.

Scegli cremagliera e pignone quando

Il robot deve percorrere diversi metri oppure la lunghezza dell'asse deve superare i limiti pratici della vite.

Scegli il motore lineare quando

L'applicazione richiede un'accelerazione molto elevata, un'inversione rapida, un gioco di trasmissione ridotto ed elevate prestazioni di posizionamento dinamico.

Questi sono punti di partenza ingegneristici, non regole fisse. La scelta finale dipende dal carico, dalla corsa, dalla velocità, dalla precisione, dall'ambiente e dal costo.

I servomotori sono comuni, ma non sempre obbligatori

Gli assi robotici ad alto ciclo utilizzano spesso servomotori perché forniscono controllo della posizione a circuito chiuso, elevate prestazioni dinamiche e facile integrazione con i sistemi di movimento coordinato.

I servosistemi sono particolarmente utili quando:

• L'asse accelera rapidamente
• Il robot e l'asse lineare si muovono simultaneamente
• La posizione deve essere costantemente monitorata
• È necessaria la sincronizzazione a doppio asse
• La macchina utilizza l'interpolazione coordinata

I motori passo-passo o passo-passo ad anello chiuso possono comunque essere appropriati per assi di indicizzazione o regolazione più semplici dove la velocità e la richiesta dinamica sono inferiori.

Il controllo del robot e dell'asse lineare deve essere coordinato

Un asse di movimento del robot può essere controllato in diversi modi a seconda dell'architettura di automazione.

L'asse può essere:

• Integrato nel controllo robot come asse esterno
• Controllato da un PLC ocontrollore di movimento
• Funziona come asse di posizionamento indipendente
• Sincronizzato elettronicamente con un altro asse

Controllo integrato dell'asse esterno

Quando il controller del robot tratta il modulo lineare come un asse coordinato aggiuntivo, la pianificazione del percorso del robot può includere la corsa di base. Ciò è utile per la saldatura, la lavorazione e le applicazioni in cui il robot e il binario devono muoversi insieme.

Posizionamento indipendente

Per l'asservimento di macchine o il trasferimento di pallet, la rotaia può spostarsi verso una stazione fissa, fermarsi e quindi consentire al robot di svolgere il suo compito. In questo caso, un sequenziamento più semplice potrebbe essere sufficiente.

I requisiti di precisione dipendono dall'attività robotica

Non tutti gli assi dei robot necessitano della stessa precisione.

Per molti assi di movimento del robot, la precisione assoluta può essere meno critica della ripetibilità perché le coordinate della stazione possono essere apprese durante la messa in servizio. Altre applicazioni, come l'ispezione o il controllo del percorso del processo, potrebbero richiedere prestazioni assolute più rigorose.

La rigidità strutturale influisce sulla precisione del robot

Un modulo lineare può posizionare il carrello con precisione mentre lo strumento del robot è ancora in movimento perché il telaio, la base del binario o il piedistallo del robot si flettono.

Importanti fattori strutturali includono:

• Planarità della base
• Distanza tra i supporti dei binari
• Rigidità del piedistallo del robot
• Deflessione della traversa
• Sporgenza dell'utensileria
• Rigidità del pavimento o del telaio della macchina

La precisione del robot è una proprietà del sistema.La posizione del centro utensile dipende dall'asse lineare, dalla struttura del robot, dal telaio di montaggio e dall'effettore finale insieme.

Cavi e utenze possono diventare un carico nascosto

Le rotaie e i portali dei robot spesso trasportano cavi di alimentazione, cavi encoder, linee pneumatiche, tubi a vuoto e cavi di comunicazione su lunghe distanze.

Una catena portacavi può introdurre:

• Forza di trascinamento variabile
• Massa mobile aggiuntiva
• Carico laterale
• Vibrazione
• Vincoli di raggio minimo di curvatura

I sistemi di cavi dovrebbero pertanto essere inclusi durante il dimensionamento del motore e il layout meccanico, non trattati come un accessorio aggiunto dopo la selezione dell'asse.

I requisiti di sicurezza cambiano con i robot in movimento di grandi dimensioni

L'aggiunta di un asse lineare aumenta l'area di lavoro del robot e può creare nuovi pericoli. La rotaia mobile, la base del robot e gli strumenti potrebbero entrare in aree non raggiungibili dal robot fisso.

La progettazione della macchina potrebbe dover considerare:

• Limiti di viaggio
• Fine corsa meccanici
• Homing sicuro
• Distanza di arresto di emergenza
• Vigilanza e controllo degli accessi
• Monitoraggio sicuro della velocità e della posizione
• Mantenimento dell'asse verticale

Il modulo lineare stesso è solo una parte del progetto completo di sicurezza della macchina.

L'affidabilità è importante nell'automazione a ciclo elevato

Le celle robotizzate spesso operano su più turni con cicli ripetitivi. Un modulo lineare che funzioni bene durante la messa in servizio deve anche mantenere precisione e fluidità per lunghi periodi di produzione.

L’affidabilità a lungo termine dipende da:

• Corretto dimensionamento del carico e del momento
• Accelerazione adeguata
• Lubrificazione
• Manutenzione del nastro o della rastrelliera
• Allineamento della guida
• Stato della portacavi
• Contaminazione ambientale
• Ispezione preventiva

Un pratico processo di selezione degli assi lineari robotici

1. Definire il compito robotico.Binario robot, pick and place, portale, pallettizzazione, interfaccia AGV o movimento dell'effettore finale?
2. Calcolare la massa totale in movimento.Include robot, utensili, assi superiori e cavi.
3. Definire la corsa e l'area di lavoro.
4. Imposta il tempo di ciclo, la velocità e l'accelerazione.
5. Calcolare il carico utile e i carichi momento.
6. Seleziona il tipo di unità.
7. Controllare la coppia, la velocità e l'inerzia del motore.
8. Definire i requisiti di ripetibilità e precisione.
9. Controllare la rigidità strutturale e il supporto.
10. Pianificare il percorso dei cavi e delle utenze.
11. Scegli l'architettura di controllo.
12. Esaminare il comportamento di sicurezza e di arresto di emergenza.
13. Verificare l'accesso per la manutenzione e il ciclo di lavoro previsto.

Ciò di cui QRXQ ha bisogno per un'applicazione di robotica

Per un utile consiglio sul modulo lineare, fornire:

• Tipo di robot o automazione
• Colpo richiesto
• Massa totale in movimento
• Posizione del baricentro
• Massima velocità e accelerazione
• Tempo di ciclo target
• Ripetibilità o precisione di posizionamento richieste
• Disposizione orizzontale, verticale o a portale
• Configurazione monoasse o multiasse
• Preferenza motoria e di controllo
• Requisiti di cavi e utenze
• Ambiente di lavoro
• Orario di funzionamento giornaliero

Per l'automazione robotica, il miglior modulo lineare è quello che corrisponde al compito, non semplicemente quello con il carico utile o la velocità più elevati.La portata, il carico dinamico, la rigidità, la sincronizzazione, il controllo e la durata devono essere considerati insieme.

QRXQ valuta gli assi lineari dei robot e i sistemi di automazione cartesiani dal requisito di movimento completo, aiutando ad abbinare viti a ricircolo di sfere, cinghie dentate, strutture a pignone e cremagliera o ad azionamento diretto all'effettivo compito robotico.