Motori e Drive per sistemi robot

Motori e Drive per sistemi robot
Aprile 2017
Sinteticamente, in un sistema robot si possono distinguere, come unità funzionali, organi meccanici, sensoriali, di controllo, di governo e calcolo. Sul tema motori, drive e azionamenti abbiamo coinvolto alcuni dei principali player di settore e qui proponiamo una sintesi della risposte che abbiamo ricevuto alle nostre domande.

Stato dell’arte e trend

L’attuale tendenza nella progettazione di sistemi robot sembra privilegiare compattezza, leggerezza ed efficienza energetica. Quale il vostro punto di vista sulle tendenze tecnologiche di motori e drive per la robotica?

Alessio Cocchi, Sales Development Manager Universal Robots Italia, enfatizza le soluzioni robotizzate che sappiano integrarsi non solo tecnologicamente, ma anche “dimensionalmente” nei layout produttivi esistenti. Inoltre l’attenzione sul tema del risparmio energetico conduce a soluzioni che consentano consumi ridotti. “Universal Robots corrisponde concretamente a questi trend con prodotti di piccola taglia e leggeri che si possono montare ovunque e in qualunque posizione. Nei nostri robot, motori, drive e azionamenti sono alloggiati all’interno della macchina e il consume medio è di 200W, essendo alimentati a 220V. Ciò significa consumare fino ad 1/20 rispetto a robot “tradizionali” e non collaborativi”.

Migliorare l’elettronica dei drive  per le funzioni di sicurezza

Per Davide Cherubino, Controls Manager in KUKA Roboter Italia, occorre un distinguo. “Sui robot di piccole dimensioni, tra cui i collaborativi, compattezza e leggerezza sono un obbligo e l’uso di azionamenti e controlli efficienti e plugin permetterà sempre più di integrare la parte drive sui motori, riducendo le dimensioni dei cabinet e anche il numero di cavi di collegamento verso la parte meccanica, favorendo la mobilità del sistema. La combinazione tra drive di nuova generazione, sempre più compatti e con firmware intelligenti e meccanica sempre più leggera, unitamente all’impego di nuovi materiali, permetterà di aumentare il rendimento dei servosistemi meccatronici, favorendo l’efficienza energetica. Invece su applicazioni con movimentazione di carichi pesanti su aree di discreta dimensione la compattezza del sistema robotico potrebbe passare in secondo piano, e la tendenza sarà quella di ottimizzare il servosistema intervenendo sia sulla meccanica che sulla parte elettronica dell’azionamento per aumentare le prestazioni come velocità e controllo della traiettoria, oggi un limite per molti robot”. Luca Lazzaro, Product Specialist Pilz Motion Control, evidenzia che il motore è, in alcuni modelli, parte del robot, quindi un peso che si somma a quello delle parti meccaniche in movimento: una soluzione integrata con la meccanica e di peso più contenuto non può che andare incontro alle esigenze di ridurre il consumo energetico per movimentare il robot. “Quando la cinematica è non lineare, gli anelli di controllo dei drive vengono messi a dura prova perché il robot è un carico a inerzia variabile che dipende sia dalla traiettoria che dal carico da portare. E’ quindi difficile tarare perfettamente i drive per tutte le condizioni di lavoro, ma tecniche di controllo sempre più evolute e adattative permettono di muovere il motore con l’apporto energetico adatto alla condizione istantanea di lavoro, garantendo una maggior vita delle parti meccaniche e dando un ulteriore contributo a risparmiare energia”.

Ricercare nuovi metodi costruttici e nuovi materiali

Nuove generazioni di robot per applicazioni domestiche e di robot di saldatura, come ci dice Josafatt Bernocchi, Product Manager di Servotecnica, coinvolgono l’azienda in due campi applicativi estremi. “Le motorizzazioni nel campo della robotica domestica implicano soluzioni estremamente ridotte nello spazio, soprattutto devono avere una bassa inerzia accompagnata a coppie notevoli per le dimensioni; un secondo aspetto richiesto è la riduzione se non l’assenza di cogging che viene ottenuto tramite tecnologie ironless, sia che si parli di motori rotativi che di motorizzazioni dirette con motori lineari. Nei robot di saldatura ci si rivolge verso attuatori elettrici che hanno un maggiore rendimento rispetto a soluzioni pneumatiche o idrauliche. Anche per i servo drive è pressante la richiesta di soluzioni miniaturizzate, che possano essere alloggiate nelle vicinanze delle motorizzazioni se non integrate al loro interno”. Per Carlo Viale, Responsabile Motion Control di Panasonic Electric Works Italia, leggerezza e compattezza significano realizzare motori con maggiore densità di potenza e proprietà dinamiche tali adattarsi alle applicazioni più esigenti. “Tale richiesta del mercato ci ha portato a ricercare metodi costruttivi e materiali tali da incrementare notevolmente le prestazioni riducendo le dimensioni dei motori e aumentando anche l’affidabilità riducendo i surriscalamenti, e anche a implementare a livello di azionamento funzionalità specifiche per la robotica”. Andrea Gianesini, Strategic Industry Manager Drives & Controls di SICK tiene a sottolineare che i campi applicativi dei robot sono potenzialmente infiniti e andranno a rivoluzionare il nostro modo di vivere. “Questa interazione con l’uomo avrà come elemento cardinale la sicurezza dei robot, quindi intelligenza, compattezza e leggerezza saranno must imprescindibili”.

Direct Drive per accoppiare direttamente il carico al motore

Per Francesco Girardi, Sales Director di Pamoco, privilegiare leggerezza e compattezza sui robot significa utilizzare servosistemi sempre più performanti. Molte volte non basta utilizzare dei prodotti standard per raggiungere il risultato prefissato e occorre studiare apposite soluzioni facilmente integrabili a bordo dei robot. “Le nuove tendenze, per esempio sui robot collaborativi, sono quelle di utilizzare dei direct drive che permettono di accoppiare direttamente il carico al motore, senza riduttore meccanico di velocità. Si ottiene una grande controllabilità della “sensibilità” della coppia motrice, con la possibilità di gestire il sistema anticollisione, ottenendo inoltre elevate precisioni di posizionamento”. Luca Biella, Business Development Manager Industrial Automation di TK Group, vede come ultimo trend azionamenti ultracompatti multiasse (ciascun modulo può controllare anche fino a tre servomotori), abbinati a servomotori con nuovi dispositivi di retroazione digitali utilizzabili con un singolo connettore invece di due (Potenza e Segnale). “Questi nuovi encoder, e i loro innovativi protocolli, consentono l’integrazione della comunicazione encoder nel cavo motore eliminando il cavo e il connettore di retroazione tra azionamento e motore, da cui un solo unico cablaggio utile alla comunicazione di segnale e di potenza, con conseguente riduzione di costi e tempi di installazione”.  Per Simone Brisacani, Sales Product Management Electric Drives Controls DCIT/SPC di Bosch Rexroth, la richiesta degli OEM per ciò che riguarda i sistemi robot è sempre più centrata su drive e motori compatti per facilitare l’installazione in campo e minimizzare gli ingombri nel quadro elettrico. “Il trend tecnologico rispetto a queste richieste è talmente concreto che notiamo un notevole interesse nella tecnologia cabinet free, nei motori a singolo cavo e nelle soluzioni con cavo ibrido, in cui convivono potenza e bus di campo. Il vantaggio non è apprezzato solo dagli OEM ma anche dagli End User, in quanto si agevola sia la fase di montaggio che quella di manutenzione”. In merito alle tendenze tecnologiche, Paolo Serra, Direttore Vendite Elmo Italia, ci elenca alcuni punti. Collaboration & Light Robotic: i robot stanno diventando più piccoli, leggeri e agili, ideali per il funzionamento sicuro in ambienti umani; i servo drive montati direttamente sui giunti vicino al motore minimizzano la progettazione. Mobile Robotics: i robot mobili stanno iniziando a muoversi in ambienti non industriali, sono alimentati a batteria e con servodrive efficienti per ottimizzarne il ciclo di vita. Sicurezza: i robot industriali “escono dalle gabbie” e devono essere “consapevoli” dell’ambiente che li circonda. Smart Sensing, High Connectivity, Predictive Maintenance: con l’industria 4.0 e IoT, ogni aspetto del piano di produzione è ormai interconnesso.

Si diffonde la tecnologia a cavo singolo

Riccardo Guaglio, Senior Commercial Enginee A&S Rockwell Automation, ci ricorda che l’interfaccia dei servoazionamenti (kinetix) verso il controllore è tramite un’unica rete in grado di gestire sia il Motion Control che tutti gli altri componenti della macchina. Il robot diventa parte dell’Architettura Integrata dove il servoazionamento è un nodo Ethernet gestito dal controllore Motion che è integrato nel PLC. Così facendo il Kinetix diventa un’amplificatore dei profili di moto creati nel controllore, chiude gli anelli di regolazione. Con una sola piattaforma di drive è possibile controllare tutti i motori presenti in macchina, compresi quelli che movimentano i robot che ne fanno parte. “La motorizzazione oggi più utilizzata è quella con tecnologia a cavo singolo: in un unico cavo si integrano la potenza, l’encoder e il freno di stazionamento. E’ ormai di uso comune prevedere l’opzione con encoder assoluto per evitare anche tutti i componenti aggiuntivi necessari per azzerare gli assi presenti sui giunti del robot. Inoltre, tramite appositi cavi in posa mobile, è possibile sfruttare i passaggi all’interno dei bracci del robot per raggiungere i motori posti sui giunti e avere una pulizia di installazione e un impatto estetico gradevole”. Fondamentale, per Roberto Beccalli, Product Manager Servo & Motion di Mitsubishi Electric, la compattezza dei servomotori per ridurre le dimensioni del robot senza alterarne le prestazioni, e dovranno aumentare anche le performance dei motori stessi integrando sistemi di trasduzione per il feedback ad alta risoluzione per garantire maggiore precisione ed elevata affidabilità. “Le nuove tecniche di progettazione permettono ai servomotori di avere un’inerzia rotorica più bassa, aumentandone la dinamica e rendendoli più reattivi alle sollecitazioni dinamiche con maggiore precisione nel movimento, tenendo anche conto dell’assorbimento di energia che deve essere ridotto al minimo pur mantenendo o aumentando le performance dell’intero sistema. Ovviamente i servomotori dovranno essere gestiti da potenti servodrive che ne esaltano le prestazioni per il raggiungimento degli obiettivi prima menzionati”. Enzo Bosco, Tecnico Commerciale automazione/packaging di Baumuller, fa riferimento allo sviluppo congiunto con Carl Cloos Schweißtechnik GmbH. “Con questo progetto comune di un robot di saldatura a braccio pieghevole, è stato realizzato il meglio dall’unione dei due settori: know how altamente specializzato e di tecnologia di processo, accoppiato a soluzioni di automazione orientate al futuro. Baumüller è conosciuta per i suoi azionamenti con massima esattezza di posizionamento ed elevata dinamica. I notevoli livelli di produttività sono raggiunti tramite la dinamica aumentata del robot di saldatura, al fine di rendere rapido e preciso l’offset del braccio di durante la saldatura nel caso di componenti, per esempio, con molti movimenti nello spazio. Grazie alle interfacce aperte nell’hardware e nel software e a una struttura modulare del sistema, il robot di saldatura può essere anche integrato in modo flessibile nei sistemi produttivi in uso, nonché in quelli nuovi. Il controllo scalabile e indipendente dal tipo di piattaforma, può essere ampliato per ogni tipo di esigenza ed è pronto per i requisiti dell’industria 4.0”

Le proposte al mercato Quali sono le vostre proposte Motion per la specifica ambientazione della robotica?

Il Motion dei robot di Universal Robots, evidenzia Cocchi, è gestito da un software specifico e aperto. “Si chiama Polyscope, è basato su Linux ed è scaricabile dal sito a ogni nuova release. L’aggiornamento è gratiuito e immediato: funziona come l’aggiornamento di una App sul prorpio smartphone”. Sui robot di grandi dimensioni, Cherubino (KUKA) ritiene che ci si debba concentrare sull’ottimizzazione del firmware di gestione del drive introducendo nuove funzioni, per esempio la possibilità di filtrare in frequenza i segnali di comando di potenza dei motori. “Un’altra caratteristica da proporre per drive di potenza più elevata in ottica di risparmio energetico, è la possibilità di fare il “recupero in rete”, in modo che tutta l’energia che il sistema meccanico impiega per frenare possa essere immessa in rete e non dissipata su filtri attraverso effetto Joule”.

Attuatori compatti per i robot domestici

Lazzaro (Pilz) ci evidenzia il sistema di controllo multiasse PMCprotego C che può essere integrato all’interno di uno degli azionamenti con sicurezza integrata della serie PMCprotego DS, per interpolare fra loro fino a 9 assi con vari tipi di cinematica. “Nei portali o robot gantry il sistema di sicurezza può permettere agli operatori di lavorare nelle vicinanze del TCP per effettuare tutta la parte di calibrazione, o di lavorare in zone opposte a quella in cui stia lavorando in un dato momento il robot”. I robot domestici, precisa Bernocchi (Servotecnica), richiedono attuatori estremamente compatti con spinte sino a 30N e motorizzazioni con coppie non superiori a 0,1Nm. “Grazie alle motorizzazioni della nostra rappresentata Faulhaber possiamo fornire motori da 6mm di diametro, soprattutto per le movimentazioni delle dita; in 22mm riusciamo a dare una soluzione allin con motore brushless e drive con interfaccia CANopen. Nel campo dei robot di saldatura vengono impiegati attuatori lineari della rappresentata Exlar, con spinte sino a 15Kn. Grazie al connubio con azionamenti di nuova generazione AMK serie iX, con protezione IP65, si sta assistendo a soluzioni che prevedono il collocamento del driver in prossimità del motore”. Viale (Panasonic Electric Works Italia) cita la nuova famiglia MINAS A6, particolarmente adatta ad applicazioni di tipo robotico. I nuovi motori della serie MHMF oltre a essere più compatti e leggeri con dimensioni ridotte fino al 30% rispetto alla serie precedente, raggiungono ora il 350% della coppia nominale con velocità fino a 6500giri/min e sono dotati di encoder a 23 bit che permette estrema precisione. “Infine, sono state implementate specifiche funzioni per la robotica quali l’adaptive load control, che permette di mantenere posizionamenti accurati e fluidità di movimento al variare del carico inerziale”.

Motori lineari per la robotica cartesiana

Gianesini (SICK) cita la tecnologia One cable, denominata Hiperface DSL. “Il cablaggio avviene con un solo cavo/connettore sul motore anziché con i tradizionali due cavi, con risparmio non solo dei tempi di cablaggio, ma anche di quelli di progettazione ed è possibile realizzare robot più compatti e leggeri. All’interno dell’encoder, inoltre, un sistema di data logger permette di memorizzare i dati qualitativi dell’asse in movimento. Pamoco, come illustra Girardi, dispone di soluzioni con motori lineari e linearirotativi diretti di LinMot oppure con motori rotativi “Torque” di Robodrive. “I motori lineari sono ideali per tutte le applicazioni di robotica cartesiana che richiedono alte accelerazioni e velocità con una grande ripetibilità di posizionamento. I motori “Torque” possono essere realizzati in versione con albero cavo o sporgente, con feedback di posizione e freno di stazionamento integrati”. Biella (TK Group) cita i cavi serie TKFF600 con guaina in PUR resistente alle abrasioni, con eccellenti performance meccaniche ed elettriche anche per cablaggi installati internamente alla meccanica del robot. “I nostri cavi e cablaggi ibridi sono già utilizzati nelle più svariate applicazioni di automazione incluse quelle di robotica, per la gestione dei robot antropomorfi 6 assi, robot delta e cartesiani”.

Servodrive montabili nei giunti del robot

Brisacani ci illustra che Bosch Rexroth per la parte di drive e motori offre la tecnologia cabinet free di IndraDrive Mi, con sicurezza integrata a bordo e accesso via Industrial Ethernet. Per il controllo, con le CPU della famiglia IndraMotion MLC, integrate nell’ambiente di sviluppo IndraWorks 14, sono definibili cinematiche fino a 16 assi, includendo orientamento della mano di presa e eventuali trasporti sincronizzati. “Per una soluzione di sviluppo più rapida, offriamo anche KinInterface, unico blocco funzione che integra tutte le funzioni di robotica. Per la programmazione con linguaggi di alto livello, abbamo integrato l’interprete Lua nelle unità di controllo IndraMotion MLC”. Serra (Elmo Italia) cita i potenti servo drive della serie Gold che si possono montare nei giunti del robot per una soluzione compatta e leggera (per esempio il GTWITTER è un drive Ethercat che pesa 22 grammi ed eroga fino a 4 kW di potenza con efficienza > 99%). “Parte della nostra proposta è anche il controller Platinum Maestro, per controllo di 16 assi con tempi di ciclo di 250us; supporta vari tipi di cinematiche alcune delle quali già native come le cinematiche del robot Scara, Cartesiano, Delta. Cinematiche già sviluppate dai clienti Elmo possono essere facilmente implementate nel Platinum Maestro con la funzionalità SIL, Software In he Loop. Le equazioni cinematiche implementate nel
la sezione realtime del Platinum Maestro calcolano le
posizioni/velocità target di tutti gli assi”.

Un singolo controllore per gestire più fine linea

La proposta Rockwell Automation, sottolinea Guaglio (Rockwell Automation) sottolinea che entrambe le piattaforme PLC Control Logix e Compact Logix sono in grado di gestire le trasformate tipiche dei robot in commercio. “Tutti gli oggetti gestiti dal PLC Logix, quali Input/Output, Motion Control, Supervisione, Tracking Prodotto, HMI, Software di sviluppo e Robot, possono interagire tra loro nello stesso istante. Questa soluzione permette di offrire un significativo miglioramento della produttività, elevata velocità e flessibilità. Con una piattaforma standardizzata, il sistema viene già progettato in un’ottica di ottimizzazione e miglioramento dell’affidabilità”. Tommaso Valle, Pack Team Manager di Siemens Italia, si sofferma sulle applicazioni Handling, sottolineando come i controllori Simotion permettano di realizzare e gestire le più comuni cinematiche per il fine linea, in maniera nativa con una semplice parametrizzazione. “Oltre alle cinematiche classiche, Roller Picker, Portali Cartesiani, Scara, Pick&Place e Delta2/3, i nostri sistemi integrano funzionalità fondamentali quali Zone Monitoring, High Dinamic Handling, Conveyor Tracking, Product Register, Free interpolation mode, e possono anche gestire l’intero processo produttivo, con l’isola robotizzata che può essere parte integrante di una linea. Un singolo controllore può gestire contemporaneamente più stazioni di fine linea integrando le funzioni di sicurezza tramite PROFIsafe verso la periferia e tutti gli azionamenti della famiglia Sinamics”.

Il supporto prezioso dei componenti software per la robotica

Mitsubishi Electric, come afferma Beccalli è in grado di offrire l’intero pacchetto di automazione con le piattaforme iQR e le CPU Motion che controllano i servosistemi MRJ4 controllati in Fibra ottica con il motion bus SSCNET III/H ad alta velocità, completamente immune ai disturbi. “Oltre all’hardware forniamo la matematica di gestione robot Scara, antropomorfi o Delta, semplicemente scaricata all’interno delle CPU Motion azzerando i tempi di sviluppo e fornendo all’utente una soluzione completa, integrata, affidabile. La nostra ampia conoscenza, che nasce dall’esperienza di produttori di robot Scara e antropomorfi, ci permette di proporci sul mercato come partner ideale sia in fase di consulenza che progettazione e sviluppo di un sistema”. Bosco cita i Componenti di automazione Baumüller per la robotica: regolatore multiasse b maXX 5800 per il controllo di un massimo di sei assi di azionamento; motori DSH con coppia di riluttanza minima per impieghi HighPrecision; speciali componenti software per la robotica dalla biblioteca “Coordinated Motion“, che offrono un’esattezza di ripetizione molto elevata, un posizionamento preciso e una tranquillità di funzionamento sul Tool Center Point, con conseguente ottimale qualità del punto di saldatura.

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