La crescita della robotica cartesiana: migliorano componenti e prestazioni

di Stefano Vinto

L’attuale evoluzione dei robot cartesiani ne fa un sistema di supporto determinante per le esigenze di movimentazione di materiali e componenti nelle più moderne linee di produzione.

Un mercato in crescita

Il mercato della robotica continuerà a crescere nei prossimi 6 anni, guidata da robot sempre più intelligenti, economici, flessibili e facili da istruire e da gestire. In questo scenario le macchine cartesiane hanno ancora ampi margini di crescita. Secondo un’indagine di Global Data, nei prossimi 6 anni il mercato della robotica è destinato a triplicare  arrivando a valere 275 miliardi di dollari a livello globale nel 2025 contro i 98 miliardi attuali. I robot diventano progressivamente più economici, intelligenti, flessibili e facili da istruire, rendendo più facile il loro inserimento in nuovi ambiti applicativi. La crescita dei robot industriali è legata all’accelerazione dell’automazione industriale: i miglioramenti tecnologici e la ridefinizione dei robot come agenti di intelligenza artificiale collegati favoriranno la proliferazione dei robot ambito lavorativo e domestico.

I robot cartesiani al centro della scena

In questo quadro i robot cartesiani continueranno a giocare un ruolo importante.  Per le loro caratteristiche, infatti, questa tipologia di macchine, usate in particolare nella produzione industriale per lo stampaggio a iniezione, sono la testimonianza dell’evoluzione tecnologica dell’intero settore: è infatti costante l’aumento dei loro gradi di libertà, della loro precisione, della loro velocità e della loro capacità di carico. Senza contare la possibilità – basata sullo sviluppo di soluzioni modulari – di realizzare applicazioni complesse.

Precisione e leggerezza, le mission di tutti i componenti      

Per soddisfare queste esigenze dei produttori di robot cartesiani, i produttori di componentistica  come R+W, multinazionale specializzata nella progettazione e produzione di giunti industriali con base in Germania – si focalizzano sulla precisione e sulla rigidità torsionale, che, unitamente alla leggerezza, sono le caratteristiche principali che un giunto destinato a questa tipologia di robot deve possedere.
Qualità concentrate nei giunti R+W delle serie EK2, ZAE e ZAL, per la realizzazione dei quali si possono anche usare materiali compositi come  la fibra di carbonio  che garantisce maggiore leggerezza e rigidità rispetto all’alluminio.  Questi giunti sono apprezzati dal mercato, dimostrando che il produttore è riuscito a soddisfare le esigenze del segmento dei robot cartesiani, instaurando nel corso degli anni anche numerose collaborazioni con le aziende costruttrici di questo genere di robotica proprio grazie alle caratteristiche dei propri componenti. I giunti della serie EK2 costituiscono in molte applicazioni l’elemento chiave per la trasmissione del moto all’unità di guida e la sua trasformazione da rotante in lineare, mentre i modelli con allunga ZAE e ZAL sono ideali per ottenere un moto parallelo.

Packaging e macchine utensili spingono il mercato 

Le prospettive di ulteriore sviluppo della robotica cartesiana sono ancora ottime soprattutto negli ambiti del packaging e dell’asservimento delle macchine utensili. Questo è dovuto da un lato al costo ancora troppo elevato dei robot antropomorfi, dall’altro alle conoscenze richieste per utilizzarli al meglio, che non sono ancora universalmente diffuse. I sistemi cartesiani sono inoltre più flessibili e facili da personalizzare e hanno un raggio di azione significativamente più esteso Il livello di performance che i robot cartesiani assicurano risulta quindi superiore, a fronte di costi che possono rivelarsi anche sensibilmente più bassi.

Evoluzione della robotica cartesiana

L’attuale evoluzione dei robot cartesiani è legata al superamento di criticità progettuali difficilmente percepibili se paragonati ai robot antropomorfi , data la loro apparente semplicità strutturale e costruttiva. L’integrazione, in tali sistemi, di una sensoristica sempre più orientata ai requisiti di monitoraggio dei processi di produzione e di interfacce di  comunicazione e scambio dei dati critici di funzionamento sta determinando un nuovo impulso nello sviluppo e nella diffusione di tali robot, con un conseguente avanzamento nelle prestazioni e nella qualità dei singoli componenti. I robot cartesiani si distinguono, come si è visto, per livelli di versatilità e modularità superiori a quelli dei robot antropomorfi. La loro capacità di fornire dei maggiori livelli di carico in rapporto alle loro dimensioni, con la possibilità di conseguire, contestualmente, elevati livelli di precisione, ne fanno un sistema di supporto determinante per le esigenze di movimentazione di materiali e componenti nelle più moderne linee di produzione. Un robot industriale consiste in un sistema meccanico (virtualmente intelligente) che può eseguire compiti in maniera automatica o con la guida di un controllo remoto. Tale robot viene, in genere, dotato di sistemi di supporto per la gestione degli ingressi da sensori di visione, di contatto, di riconoscimento e di movimento, il che fa comprendere come una corretta classificazione dei robot industriali non possa prescindere dalle scelte relative ai sistemi di sensori, ai motori e ai controllori impiegati.

Breve panoramica sulla classificazione dei robot industriali

I robot industriali sono dispositivi meccanici multifunzione, con sistemi di movimentazione lungo tre o più assi, realizzati tramite azionamenti che consentono movimenti programmabili e variabili, al fine di eseguire un’ampia varietà di compiti. La classificazione dei robot industriali viene basata, di conseguenza, sulle loro funzionalità, sugli assi di movimentazione, sui gradi di libertà richiesti e sugli spazi di lavoro ottenibili.

Su gran parte della letteratura specializzata, la definizione di GDL (gradi di libertà) viene spesso confusa con quella di GDM (gradi di mobilità). Condon e Odishaw, nel loro storico Handbook of Physics del 1967, definiscono i GDL come «il numero di coordinate indipendenti richieste per esprimere la posizione di tutte le parti di un sistema». Per applicare tale definizione alla determinazione dei numero totale dei GDL di un robot industriale, è necessario conoscere il numero delle coordinate indipendenti e quello dei componenti della sua catena cinematica. Il numero minimo di GDL indica, invece, il numero delle variabili indipendenti richieste per la definizione del moto in un qualsiasi robot.

Sulla base di queste osservazioni, lo schema tipico di un robot industriale con una parte terminale data da una pinza o da un utensile richiede 6 GDL, di cui 3 per la definizione del moto rispetto alla base dello stesso robot e gli altri 3 per il posizionamento e l’orientazione della parte terminale all’interno dello spazio di lavoro. I primi 3 GDL vengono anche definiti gradi di libertà principali, in quanto definiscono lo spazio di lavoro totale che il robot può attraversare e vengono controllati tramite attuatori integrati nel corpo del robot. I secondi 3 GDL intervengono, come accennato, nel controllo della pinza o dell’utensile, una volta che il robot ha raggiunto la posizione prestabilita nello spazio di lavoro. In tutti quei casi in cui vi è la necessità di estendere la catena cinematica di un robot industriale, si ricorre all’inserimento di giunti che forniscono GDL aggiuntivi; questi ultimi vengono chiamati GDM (gradi di mobilità), in quanto i giunti impiegati per il loro ottenimento non mutano i GDL della parte terminale del robot e risolvono le criticità di progetto presenti in tutti quegli scenari in cui i sei GDL totali del sistema non risultano disponibili alla pinza o all’utensile.

Per quanto riguarda, invece, la classificazione del robot sulla base del movimento, è evidente come l’evoluzione nell’approccio progettuale sia funzionale alla tipologia dei giunti impiegati e al numero di GDL da essi introdotti.

Robotica cartesiana: tipologie ed evoluzione

Nel caso particolare della robotica cartesiana, lo schema fondamentale della catena cinematica consiste in 3 coppie prismatiche (ottenute tramite giunti o guide lineari), ciascuna presente sugli assi di controllo x, y, z, come mostrato nella fig. 1 (a sinistra). Tale schema rende così possibile lo spostamento della parte terminale del robot nello spazio di lavoro in coordinate cartesiane.

Sulla base di questo schema cinematico, è possibile considerare le due tipologie di robot cartesiano, mostrate nella fig. 1 (a destra): lo schema (a) rappresenta il generico robot cartesiano, lo schema (b) rappresenta il robot a portale, nel quale il componente orizzontale è supportato su entrambe le estremità. La scelta dell’uno o l’altro schema, dipende non soltanto dalle funzionalità richieste e dagli ambiti di impiego, ma anche dal livello di prestazioni meccaniche da conseguire.

La caratteristica principale dei robot cartesiani è la loro versatilità, anche rispetto a quelli antropomorfi. Sono caratterizzati da una maggiore capacità di carico in rapporto alle loro dimensioni, con la possibilità di conseguire, in molto casi, elevati livelli di precisione nella movimentazione. Per tali scopi, la catena cinematica da realizzare dovrà essere caratterizzata da elevati livelli di rigidezza torsionale e di compensazione dei disallineamenti.

Un’ulteriore caratteristica dei robot cartesiani è data dalla loro flessibilità, potendo i loro assi essere aggiornati o sostituiti con costi di riconfigurazione relativamente contenuti, specie nei casi in cui è prevista una modifica delle modalità di movimentazione o di produzione di un componente.

La progettazione dei robot cartesiani risulta, comunque, fortemente condizionata dall’aumento del livello di carico e dal crescere della lunghezza dei suoi componenti a sbalzo; ciò determina un aumento delle sollecitazioni di flessione e taglio nelle sezioni critiche dei componenti orizzontali. A tale scopo si ricorre al robot a portale, mostrato nello schema (b) di fig. 1. In tale tipo di robot cartesiano viene raddoppiato l’asse di movimentazione orizzontale (ad esempio l’asse y, come in fig. 1). L’asse y aggiuntivo (ma vi possono essere assi aggiuntivi anche rispetto alle altre due direzioni x e z) consente al robot di sopportare carichi maggiori, fornendo una soluzione ottimale anche nei casi in cui sono richieste operazioni di carico e scarico di oggetti o di componenti dal peso elevato.

Su ciascun asse viene montato un attuatore lineare, che può essere progettato e realizzato allo scopo o acquisito da un fornitore esterno. È in questi casi che si possono fare le scelte progettuali più adeguate (e virtualmente illimitate), in relazione al miglioramento dei componenti e del livello di prestazioni, anche in quei contesti in cui è richiesto un alto livello di precisione nel posizionamento. Tutte queste osservazioni sono riscontrabili nella fig. 2, dove viene mostrato un robot a portale per l’esecuzione di lavorazioni di taglio laser.

Un interessante esempio di personalizzazione di robot a portale, per l’esecuzione di operazioni di carico e scarico di componenti destinati a lavorazioni successive (ad esempio, lavorazioni tramite macchine CNC o trattamenti di ripresa superficiale dopo l’impiego di tecnologie additive), è dato dal sistema di movimentazione lineare mostrato nella fig. 3, realizzato combinando in maniera opportuna le soluzioni costruttive di un robot a portale con  quelle di un robot a due assi per le operazioni di carico e scarico.

Ulteriori estensioni nell’impiego dei robot a portale possono essere ottenute integrando componentistica dedicata per l’impiego in ambienti aggressivi o con elevati livelli di smorzamento del rumore. Se l’applicazione richiede, inoltre, l’esecuzione di processi simultanei ed indipendenti, possono essere realizzati robot con una movimentazione orizzontale data da azionamenti lineari e carrelli multipli.

La configurazione generica di un robot  a portale è tale che gli assi orizzontali  sovrastano l’area di lavoro; esistono casi in cui il componente (o il materiale) non può essere movimentato da sopra bensì da sotto, come nel caso delle linee di produzione dei moduli fotovoltaici, mostrato nella fig.  4.

I robot a portale possono anche essere realizzati in dimensioni molto contenute, come il robot per il test continuo di PCB mostrato nella fig. 5.

Il raddoppio di uno o più assi di movimentazione in un robot a portale, come l’asse y (su cui agiscono le forze date dalle componenti del carico flessionale forniti dagli altri assi) renderà la struttura più rigida, con la possibilità di ottenere maggiori lunghezze di spostamento assiale, oltre a consentire velocità di azionamento maggiori rispetto a quelle di un robot cartesiano.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un’attività complessa come quella di Ricerca & Sviluppo nel settore della robotica cartesiana, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti come R+W, azienda ai vertici nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista. Nel settore della robotica cartesiana, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali i giunti a soffietto metallico della serie BK e i limitatori di coppia della serie SK, oltre ai già citati giunti ad elastomero della serie EK e giunti con allunga della serie ZA e EZ.

I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono inoltre molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità.

Oltre ai giunti a soffietto metallico, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, come i limitatori di coppia della serie SK: assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi.

Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

I giunti con allunga della serie ZA-EZ sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, eventualità spesso presente nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 m, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W se ben dimensionati e montati correttamente non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata praticamente infinita.

Per una consulenza personalizzata, si può contattare R+W Italia al tel. 02.26264163, all’indirizzo e-mail [email protected], tramite webchat sul sito www.rw-giunti.it o attraverso i canali social dell’azienda, per contare su #progettiSicuri.