Processo di sviluppo per l’alimentazione di robot Scara

Si muovono così velocemente che gli occhi fanno fatica a seguire i robot Scara che eseguono mansioni di pick & place o di montaggio nel settore industriale. Ma queste acrobazie hanno un prezzo e, su questi robot, i più comuni sistemi di alimentazione si usurano rapidamente. igus, il gruppo tedesco specializzato nelle motion plastics, propone una soluzione alternativa duratura. Diamo un’occhiata al processo di sviluppo.

In fabbrica, guardare un robot Scara in azione vi potrebbe far venire il capogiro. Il robot con il suo braccio articolato orizzontale, simile a quello dell’uomo, funziona a velocità elevata su quattro assi. Il braccio interno ed esterno ruota orizzontalmente. Il gripper, quel componente che serve per manipolare gli oggetti, si muove in modo rotatorio e lineare grazie ad una vite a ricircolo di sfere. Con questo sistema, il robot può raggiungere quasi ogni punto all’interno del suo raggio d’azione. Ad una velocità incredibile. In alcuni casi, un ciclo di pick & place in cui il robot industriale deve afferrare, trasportare e posizionare un componente, può durare all’incirca solo un terzo di secondo. Acrobazie rapide e precise che nascondono un inconveniente. Lo svantaggio è stato portato alla luce da un produttore di automobili tedesco, che ha interpellato igus, lo specialista dei componenti in polimero per applicazioni dinamiche, per risolvere un problema. Nella fabbrica di questo OEM, vengono impiegati 40 robot Scara su una linea di produzione così veloce che alcuni componenti delle macchine per la lavorazione meccanica si usurano rapidamente e richiedono molta manutenzione. “Questi robot si muovono in funzionamento continuo 24/7 a velocità operative fino a 2.000 millimetri al secondo nel piano orizzontale”, spiega Matthias Meyer, responsabile ECS triflex e robotica presso igus. “Per il cliente era diventato necessario controllare, ogni anno, i cavi e i tubi dei robot Scara e, generalmente, doverli sostituire a causa dell’usura. Perciò il produttore di automobili stava cercando con urgenza un’alternativa.”

Obiettivo: triplicare la durata d’esercizio del sistema di alimentazione

L’obiettivo dell’azienda era ambizioso. Voleva almeno triplicare la durata d’esercizio dei collegamenti con cavi e tubi. La prima fase del processo è stata relativamente semplice: igus ha rinforzato il tubo corrugato in cui i cavi e i tubi si muovono con un prodotto chiamato e-rib – una specie di scheletro in polimero ad alte prestazioni che si inserisce nelle scanalature del tubo in modo da farlo muovere solo in una direzione spaziale. Con questo sistema, invece di oscillare avanti e indietro, il tubo è stato reso più stabile. Sono stati rinforzati anche i punti di collegamento anteriori e posteriori con due supporti in tecnopolimero. Grazie all’e-rib, il tubo risulta abbastanza rigido da non piegarsi nemmeno durante i movimenti più veloci. Il terzo miglioramento è stato suggerito dal produttore stesso. Per poter seguire l’attività motoria di un robot Scara, i collegamenti con tubi devono essere montati in modo tale che possa ruotare su entrambe le estremità. Il cliente ha realizzato un collegamento rotante in metallo: “L’intero sistema è in uso dal 2017 con circa 6,8 milioni di cicli all’anno e ancora non è stato necessario sostituirlo”, afferma Meyer. “In igus eravamo talmente convinti della validità di questa soluzione che abbiamo lavorato per sviluppare ulteriormente tutti i componenti e proporre un sistema di alimentazione per robot Scara adatto per la produzione in serie.”

Le stampanti 3D accelerano la prototipazione

Partendo con la fase di progettazione, igus si doveva procurare le attrezzature adatte da integrare al laboratorio di prova aziendale, a cominciare da un robot Scara. Il produttore Epson Germania ha accettato di fornire un modello della serie G6 a scopo di test. Quindi gli sviluppatori hanno potuto affrontare la prima sfida: la produzione di un collegamento rotante con cuscinetto a sfere montato. Ed ecco che subentra l’expertise di igus. Per “deformazione professionale”, se possibile, l’azienda di Colonia valuta la sostituzione del metallo con particolari in polimero ad alte prestazioni leggeri, progettati per ridurre al minimo l’attrito e l’usura e che contribuiscono a ridurre l’energia richiesta per l’azionamento. Gli esperti parlano di ottimizzazione tribologica. igus ha anche investito in stampanti 3D per poter realizzare prototipi e pezzi di ricambio per sé e per i clienti superando i limiti dello stampaggio a iniezione, che implica la complessa e costosa produzione di stampi. “Ci è sembrata un’evidenza produrre con la stampante 3D il collegamento rotante in polimero ad alte prestazioni e poi utilizzare sfere in metallo”, sottolinea Meyer. “In questa fase dello sviluppo, la stampa 3D è semplicemente imbattibile in termini di tempo e di costo.” I progettisti hanno iniziato i test, stampando collegamenti rotanti con diversi filamenti. E, infine, si sono concentrati sulla sfida successiva: sviluppare un supporto per il collegamento rotante. “Per noi era importante che la guida dei cavi non si attorcigliasse durante il funzionamento del robot. Per questo motivo abbiamo spostato il punto di collegamento al centro dell’asse rotante tramite un traversino sagomato.”

Testare 900 cicli all’ora

Dopo settimane di sviluppo, è iniziata la fase dei test. Il robot Scara Epson si muoveva a tutta velocità all’interno di una gabbia protettiva. All’inizio, andava tutto bene. Ma dopo pochi minuti si sono verificati alcuni problemi. “Il collegamento rotante prodotto in 3D e il cuscinetto a sfere integrato non reggevano i carichi”, continua Meyer. “Per assorbire le forze assiali, due cuscinetti a sfere xiros standard igus sono stati inseriti a pressione nell’involucro esterno uno sopra l’altro. Abbiamo anche reso la struttura del collegamento più compatta e in grado di ridurre le forze di leva. Il principio di collegamento di questa struttura consente di funzionare senza fissaggi aggiuntivi.” Risolta la questione, gli ingegneri hanno potuto avviare i test successivi. Il robot ha completato 900 cicli all’ora, 20.000 cicli al giorno, con un cavo di comando chainflex e due tubi di diametro quattro e sei millimetri. “I test effettuati hanno dimostrato che la struttura era adatta per l’utilizzo, quindi abbiamo potuto lanciarla sul mercato”, afferma Matthias Meyer. Questa soluzione innovativa per la guida dei cavi su robot SCARA è disponibile dall’autunno 2020 come le altre 120 novità igus ed esiste in versione “vuota” oppure come soluzione preassemblata completa di cavi e tubi. “Con questa soluzione per la guida dei cavi su robot SCARA, abbiamo sviluppato un prodotto che massimizza la durata d’esercizio del sistema di alimentazione del robot ed elimina i fermi macchina. Prossimamente, adatteremo questa soluzione ai punti di collegamento anche di altri produttori”, conclude Meyer.