Módulos Lineares em Robótica e Automação

Os robôs são altamente flexíveis dentro do seu envelope de trabalho, mas muitos sistemas de automação precisam de movimento além desse envelope. Um robô pode precisar percorrer vários metros ao longo de uma linha de produção, uma célula pick-and-place pode precisar de movimento XYZ coordenado ou uma estação de acoplamento AGV pode precisar de um eixo linear compacto para posicionar um acessório ou efetor final.

É aqui quemódulos lineares em robóticatornar-se importante. Eles podem atuar como eixos de deslocamento do robô, estruturas robóticas cartesianas, eixos de pórtico, eixos de paletização ou unidades de posicionamento secundárias que ampliam o alcance e a flexibilidade do robô principal.

Este guia explica como os módulos lineares são usados ​​na automação robótica, o que cada aplicação exige do sistema de movimento e como os engenheiros devem avaliar a velocidade, carga útil, rigidez, sincronização, segurança e integração antes de selecionar um módulo.

Por que os robôs precisam de eixos lineares

Um robô de seis eixos oferece excelente liberdade angular, mas seu alcance é limitado pela geometria do braço. Adicionar um eixo linear permite que todo o robô ou efetor final se mova através de uma área de trabalho maior.

Razões típicas para adicionar ummódulo linearincluem:

• Estendendo o alcance do robô ao longo de uma máquina ou linha de produção
• Servindo múltiplas estações com um robô
• Reduzindo a necessidade de vários robôs fixos
• Criando movimento de escolha e posicionamento de longo curso
• Construindo Cartesiano ourobô de pórticoestruturas
• Mover efetores finais independentemente do braço do robô
• Posicionamento de acessórios, bandejas, sensores ou ferramentas

Regra em nível de sistema:um eixo linear do robô deve ser dimensionado a partir de todo o sistema móvel, não apenas da peça de trabalho. A massa do robô, as ferramentas, os cabos, os acessórios e a aceleração contribuem para a carga.

Sétimo Eixo do Robô: Ampliando o Envelope de Trabalho

O sétimo eixo do robô é um eixo de deslocamento linear que transporta a base do robô ao longo de um trilho ou módulo. Permite que um robô acesse diversas máquinas, paletes ou áreas de trabalho.

Aplicações comuns incluem:

• Atendimento de máquinas
• Células de soldagem
• Montagem de peças grandes
• Manuseio de materiais
• Inspeção
• Carga e descarga em múltiplas estações

Por que a massa do robô muda o projeto mecânico

O eixo linear deve transportar o robô completo, não apenas a carga útil na garra do robô. Um robô com uma carga relativamente modesta ainda pode ter uma grande massa base e gerar momentos dinâmicos substanciais durante o movimento do braço.

O eixo linear deve, portanto, ser verificado quanto a:

• Massa total do robô e das ferramentas
• Posição do centro de gravidade
• Momentos de capotamento dinâmicos
• Aceleração do eixo do trilho
• Cargas de parada de emergência
• Rigidez da base e do quadro

Viagens longas alteram a direção preferida

Eixos de deslocamento muito longos do robô geralmente favorecem transmissões de cremalheira e pinhão ou outras transmissões escalonáveis ​​de longo curso porque os sistemas baseados em parafuso tornam-se cada vez mais limitados pela velocidade crítica e pelos requisitos de suporte à medida que o comprimento aumenta.

Para eixos de deslocamento do robô mais curtos e de maior precisão, fusos de esferas ou outras estruturas de módulos lineares compactos ainda podem ser apropriados.

Células Pick-and-Place: O tempo de ciclo é maior que a velocidade máxima

A automação pick-and-place é uma das aplicações mais comuns para módulos lineares. O sistema pode utilizar um único eixo, tabela XY, arranjo XZ ou estrutura cartesiana XYZ completa.

Esses sistemas normalmente valorizam:

• Alta aceleração
• Tempo de movimento curto
• Posições de parada repetíveis
• Baixa massa móvel
• Inversão rápida de direção
• Movimento estável do efetor final

Por que a aceleração pode ser mais importante do que a velocidade máxima

Se o curso for curto, o eixo poderá nunca permanecer na velocidade máxima por muito tempo. Nesse caso, a aceleração e a desaceleração dominam o tempo do ciclo.

Um módulo com uma velocidade máxima de catálogo alta, mas com comportamento dinâmico ruim, pode não superar um eixo ligeiramente mais lento que acelera, estabiliza e reverte com mais eficiência.

A massa do efetor final deve ser incluída

A carga móvel inclui a pinça, ferramentas de vácuo, sensores, cabos e o produto coletado. Se a pinça for montada longe do carro, o momento de carga resultante pode tornar-se mais importante do que a própria carga útil.

Robôs cartesianos XYZ e sistemas de pórtico

Módulos lineares podem ser combinados em estruturas de robôs cartesianos onde cada eixo controla o movimento em uma direção linear.

As configurações típicas incluem:

• Tabelas de posicionamento XY
• Unidades pick-and-place XZ
• Robôs cartesianos XYZ
• Sistemas de pórtico Dual-X
• Pórticos de paletização de longo vão

Os eixos inferiores carregam os eixos superiores

Em um sistema XYZ, o eixo X pode precisar mover o eixo Y, o eixo Z, os motores, o atuador final, os cabos e a peça de trabalho juntos.

Isso cria um problema de dimensionamento hierárquico:

Dimensione da ferramenta para fora.O eixo Z carrega a ferramenta, o eixo Y carrega Z mais a ferramenta e o eixo X pode carregar a montagem YZ completa.

A rigidez da viga transversal é importante

Em sistemas de pórtico, a viga entre dois suportes pode desviar sob o peso do carro Y ou Z e durante a aceleração. Isto afeta o posicionamento, a vibração e o tempo de acomodação.

Um pórtico amplo deve, portanto, ser avaliado como um sistema estrutural, e não simplesmente como dois módulos lineares fortes conectados por uma viga de alumínio.

Pórticos de acionamento duplo exigem sincronização

Grandes pórticos podem usar dois eixos X acionados paralelamente. Isto melhora a distribuição de carga e suporta vigas cruzadas largas, mas introduz requisitos de sincronização.

Se os dois lados não se moverem juntos, a ponte pode quebrar ou torcer.

A sincronização pode ser mecânica ou eletrônica

A sincronização mecânica pode usar um eixo ou transmissão comum para ligar ambos os lados. A sincronização eletrônica utiliza dois motores e coordena sua posição através do sistema de controle.

Os sistemas eletrônicos de acionamento duplo exigem consideração cuidadosa de:

• Estratégia de localização
• Correspondência de posição entre ambos os lados
• Feedback do codificador
• Afinação servo
• Rigidez do quadro
• Comportamento de parada de emergência

Um pórtico de acionamento duplo nunca deve depender da sincronização de controle para compensar o mau alinhamento mecânico.

Paletização: Alcance, Carga Útil e Repetição

A automação da paletização geralmente requer viagens longas, grandes envelopes de trabalho e movimentos repetidos de cargas moderadas ou pesadas.

Módulos lineares podem ser usados ​​para:

• Estenda um robô ao longo de múltiplas posições de paletes
• Crie sistemas de paletização cartesiana
• Mover ferramentas de manipulação de camadas
• Posicione paletes vazios ou folhas intermediárias
• Servir vários transportadores de um robô

O ciclo de trabalho é importante

Os sistemas de paletização podem operar por muitas horas com milhares de ciclos repetidos. O módulo deve ser verificado quanto à vida útil do rolamento, desgaste do acionamento, lubrificação, carga térmica do motor e vida útil do suporte do cabo – não apenas no pico de carga útil.

Grandes cargas criam cargas momentâneas

Caixas, bandejas ou pinças podem criar cargas radiais substanciais. Ferramentas amplas podem gerar momentos de inclinação e guinada mesmo quando a massa total está dentro da classificação de carga útil nominal do módulo.

Módulos Lineares para Movimento do Efetor Final do Robô

Nem todo eixo linear precisa mover a base do robô. Módulos compactos podem ser montados no robô ou próximo a ele para adicionar um grau de liberdade linear controlado ao atuador final.

Os exemplos incluem:

• Espaçamento ajustável das pinças
• Extensão de ferramenta
• Prensagem ou inserção linear
• Ajuste de câmera ou sensor
• Mecanismos de centralização de peças
• Sistemas de manuseio de passo variável

Mantenha os eixos do efetor final leves

Cada quilograma adicionado ao pulso do robô reduz a margem de carga útil disponível e aumenta a inércia. Módulos lineares compactos e leves são, portanto, particularmente valiosos para movimentos de extremidade de braço.

A massa do motor, os cabos e os suportes devem ser incluídos na carga de pulso permitida e no cálculo do momento do robô.

Integração AGV e AMR: Movimento Linear na Interface Móvel

AGVs e AMRs frequentemente transportam peças entre estações, mas a plataforma móvel ainda pode precisar de um mecanismo de posicionamento linear para transferir, alinhar ou apresentar a carga.

Os possíveis usos incluem:

• Estendendo uma bandeja em uma máquina
• Ajustando a posição de encaixe
• Levantar ou deslocar um acessório
• Transferência de sacolas ou paletes
• Sensores de posicionamento ou conectores

Os sistemas móveis introduzem novas restrições

Um eixo integrado a AGV muitas vezes precisa lidar com potência integrada limitada, vibração durante o deslocamento, espaço de instalação compacto e tolerâncias de acoplamento repetidas.

O módulo linear deve ser avaliado para:

• Baixo consumo de energia
• Travamento mecânico ou retenção quando necessário
• Resistência à vibração de transporte
• Arranjo de motor compacto
• Detecção confiável de casa e limite
• Interação segura com estações de acoplamento

Tipos de acionamento de eixo linear de robô

Como escolher o acionamento para um eixo robótico

Escolha o fuso de esfera quando

O eixo precisa de um deslocamento relativamente compacto, alta rigidez, impulso controlado e bom desempenho de posicionamento.

Escolha a correia dentada quando

O eixo precisa de deslocamento mais longo, alta velocidade e movimento rápido de pegar e colocar com requisitos de precisão moderados.

Escolha cremalheira e pinhão quando

O robô deve percorrer vários metros ou o comprimento do eixo precisa ultrapassar os limites práticos do parafuso.

Escolha motor linear quando

A aplicação requer aceleração muito alta, reversão rápida, baixa folga de transmissão e alto desempenho de posicionamento dinâmico.

Estes são pontos de partida de engenharia, não regras fixas. A seleção final depende da carga, curso, velocidade, precisão, ambiente e custo.

Servomotores são comuns, mas nem sempre obrigatórios

Eixos robóticos de alto ciclo geralmente usam servomotores porque fornecem controle de posição em circuito fechado, forte desempenho dinâmico e fácil integração com sistemas de movimento coordenado.

Os servossistemas são especialmente úteis quando:

• O eixo acelera rapidamente
• O robô e o eixo linear se movem simultaneamente
• A posição deve ser monitorada continuamente
• A sincronização de eixo duplo é necessária
• A máquina usa interpolação coordenada

Motores de passo ou de malha fechada ainda podem ser apropriados para indexação mais simples ou eixos de ajuste onde a velocidade e a demanda dinâmica são menores.

O controle do robô e do eixo linear deve ser coordenado

Um eixo de deslocamento do robô pode ser controlado de diversas maneiras, dependendo da arquitetura de automação.

O eixo pode ser:

• Integrado no controlador do robô como eixo externo
• Controlado por um PLC oucontrolador de movimento
• Operado como um eixo de posicionamento independente
• Sincronizado eletronicamente com outro eixo

Controle de eixo externo integrado

Quando o controlador do robô trata o módulo linear como um eixo coordenado adicional, o planejamento do caminho do robô pode incluir o deslocamento base. Isto é útil para soldagem, processamento e aplicações onde o robô e o trilho devem se mover juntos.

Posicionamento independente

Para o atendimento de máquinas ou transferência de paletes, o trilho pode se mover para uma estação fixa, parar e então permitir que o robô execute sua tarefa. Neste caso, um sequenciamento mais simples pode ser suficiente.

Os requisitos de precisão dependem da tarefa robótica

Nem todos os eixos do robô precisam da mesma precisão.

Para muitos eixos de deslocamento do robô, a precisão absoluta pode ser menos crítica do que a repetibilidade porque as coordenadas da estação podem ser ensinadas durante o comissionamento. Outras aplicações, como inspeção ou controle do caminho do processo, podem exigir um desempenho absoluto mais rigoroso.

A rigidez estrutural afeta a precisão do robô

Um módulo linear pode posicionar seu carro com precisão enquanto a ferramenta do robô ainda se move porque a estrutura, a base do trilho ou o pedestal do robô desviam.

Fatores estruturais importantes incluem:

• Planicidade da base
• Espaçamento do suporte do trilho
• Rigidez do pedestal do robô
• Deflexão da viga mestra
• Saliência de ferramenta
• Rigidez do piso ou da estrutura da máquina

A precisão do robô é uma propriedade do sistema.A posição central da ferramenta depende do eixo linear, da estrutura do robô, da estrutura de montagem e do atuador final em conjunto.

Cabos e utilitários podem se tornar uma carga oculta

Os trilhos e pórticos para robôs geralmente transportam cabos de energia, cabos de codificadores, linhas pneumáticas, tubos de vácuo e cabos de comunicação por longas distâncias.

Uma operadora de cabo pode apresentar:

• Força de arrasto variável
• Massa móvel adicional
• Carga lateral
• Vibração
• Restrições mínimas de raio de curvatura

Os sistemas de cabos devem, portanto, ser incluídos durante o dimensionamento do motor e o layout mecânico, e não tratados como um acessório adicionado após a seleção do eixo.

Os requisitos de segurança mudam com grandes robôs em movimento

Adicionar um eixo linear aumenta o envelope de trabalho do robô e pode criar novos perigos. O trilho móvel, a base do robô e as ferramentas podem entrar em áreas que não eram acessíveis pelo robô fixo.

O projeto da máquina pode precisar considerar:

• Limites de viagem
• Paradas finais mecânicas
• Retorno seguro
• Distância de parada de emergência
• Vigilância e controle de acesso
• Monitoramento seguro de velocidade e posição
• Fixação no eixo vertical

O módulo linear em si é apenas uma parte do projeto completo de segurança da máquina.

Confiabilidade é importante na automação de alto ciclo

As células robóticas geralmente operam em vários turnos com ciclos repetitivos. Um módulo linear com bom desempenho durante o comissionamento também deve manter a precisão e a suavidade durante longos períodos de produção.

A confiabilidade a longo prazo depende de:

• Dimensionamento correto de carga e momento
• Aceleração apropriada
• Lubrificação
• Manutenção de correia ou rack
• Alinhamento de guia
• Condição do transportador de cabo
• Contaminação ambiental
• Inspeção preventiva

Um processo prático de seleção de eixo linear robótico

1. Defina a tarefa robótica.Trilho robótico, pick and place, pórtico, paletização, interface AGV ou movimento do efetor final?
2. Calcule a massa móvel completa.Inclui robô, ferramentas, eixos superiores e cabos.
3. Defina o traçado e o envelope de trabalho.
4. Defina o tempo de ciclo, velocidade e aceleração.
5. Calcule a carga útil e as cargas momentâneas.
6. Selecione o tipo de unidade.
7. Verifique o torque, a velocidade e a inércia do motor.
8. Definir requisitos de repetibilidade e precisão.
9. Verifique a rigidez estrutural e o suporte.
10. Planeje o roteamento de cabos e serviços públicos.
11. Escolha a arquitetura de controle.
12. Revise o comportamento de segurança e parada de emergência.
13. Verifique o acesso para manutenção e o ciclo de trabalho esperado.

O que o QRXQ precisa para uma aplicação robótica

Para obter uma recomendação útil de módulo linear, forneça:

• Tipo de robô ou automação
• Curso necessário
• Massa móvel total
• Posição do centro de gravidade
• Velocidade e aceleração máximas
• Tempo de ciclo alvo
• Repetibilidade necessária ou precisão de posicionamento
• Disposição horizontal, vertical ou pórtico
• Configuração de eixo único ou multieixo
• Preferência de motor e controle
• Requisitos de cabos e utilitários
• Ambiente de trabalho
• Tempo de operação diário

Para automação robótica, o melhor módulo linear é aquele que corresponde à tarefa, e não simplesmente aquele com maior carga útil ou velocidade.Alcance, carga dinâmica, rigidez, sincronização, controle e vida útil precisam ser considerados em conjunto.

QRXQ avalia eixos lineares de robôs e sistemas de automação cartesiana a partir de todos os requisitos de movimento, ajudando a combinar estruturas de fuso de esfera, correia dentada, cremalheira e pinhão ou acionamento direto com a tarefa robótica real.