I motori lineari consentono l'innovazione nelle pinze robotiche
19. Settembre 2022
Passando dai cilindri pneumatici ai motori lineari, il produttore di macchine e impianti Keller HCW è riuscito a sviluppare un'innovazione nel campo delle pinze robotizzate universali ad alta capacità di carico, capaci di afferrare, separare e movimentare in modo sicuro e delicato anche prodotti fragili. Gli azionamenti elettrici diretti non solo garantiscono l'elevata flessibilità della pinza, ma anche ripetibilità, dinamismo, precisione e, non ultimo, un'efficienza energetica irraggiungibile con gli azionamenti pneumatici.
La pinza robotizzata con motori lineari sviluppata da Keller HCW è universalmente applicabile e può afferrare in modo sicuro e delicato anche prodotti fragili, raggruppandoli prima del posizionamento. (Fonte immagine: Keller HCW)
Mattoni forati, bicchieri, confezioni di cibo per gatti, piastrelle a coda di castoro, pacchetti di fazzoletti, palline da tennis: il nuovo robot di presa di Keller HCW li maneggia tutti in modo sicuro e con la forza ottimale. Il produttore di macchinari e impianti ha recentemente dimostrato questa capacità con un'installazione che ha riscosso notevole interesse ad Automatica, a Monaco di Baviera. I robot di presa di Keller HCW si sono dimostrati validi per anni nelle fornaci di mattoni e in altre aziende del settore della ceramica pesante. Vengono utilizzati, ad esempio, per afferrare mattoni non cotti (mattoni stampati) e posizionarli a una distanza specifica per garantire un'asciugatura e una cottura ottimali. I mattoni vengono alimentati al robot di presa su un nastro trasportatore a flusso continuo, in una striscia consolidata di circa 20-30 pezzi. Il robot di presa afferra l'intera striscia, posiziona i singoli mattoni alla distanza ottimale durante il movimento del robot e poi li deposita in gruppo su appositi supporti o nastri trasportatori. “La sfida sta nel fatto che la resistenza dei mattoni stampati può variare, il che significa che possiamo operare solo con una forza di presa e una velocità di avvicinamento limitate. Inoltre, c'è solo una finestra temporale limitata entro la quale i mattoni devono essere afferrati dal nastro trasportatore in movimento”, spiega Reinhold Ungruhe, responsabile dell'automazione e dell'ingegneria elettrica presso Keller HCW GmbH. Ad oggi, per la separazione dei mattoni, così come per altri processi di movimentazione nell'industria della ceramica pesante, vengono utilizzati prevalentemente robot di presa con azionamento pneumatico.
Intervalli di regolazione precedentemente limitati a 10 mm dalla pneumatica
A causa della corsa limitata e della velocità di regolazione relativamente lenta dei cilindri pneumatici, gli intervalli di regolazione non devono superare i 10 mm. Questo rappresenta uno svantaggio quando si lavorano tegole di forme e dimensioni diverse sulla stessa linea, come accade sempre più spesso. Pertanto, nei paesi industrializzati sviluppati, è ormai piuttosto comune che le diverse migliaia di tegole, comprese quelle speciali necessarie (come le tegole di colmo e di bordo), richieste per il tetto di una casa, vengano prodotte in un unico lotto su un'unica linea, secondo le specifiche del cliente.
In pratica, ciò ha significato che le fabbriche di mattoni spesso devono acquistare diverse pinze per robot – solitamente robot a 6 assi – e utilizzarle alternativamente per gestire tutti i formati e le tipologie di mattoni. Tuttavia, con costi di acquisizione di circa 50.000 euro per pinza, questo immobilizza una quantità significativa di capitale nelle aziende. In alternativa, gli utenti possono acquistare una sola pinza per robot e riconfigurarla ogni volta che è necessario cambiare formato o tipologia di mattone. Per ridurre al minimo queste riconfigurazioni che richiedono molto tempo, Keller ha sviluppato una pinza ibrida in cui le pinze azionate pneumaticamente vengono regolate tramite un servomotore rotativo, consentendo di raggruppare più formati e tipologie di mattoni con una sola pinza.
La regolazione del sistema pneumatico richiede delicatezza.
"Regolare i sistemi pneumatici è piuttosto complicato nella pratica", sottolinea Reinhold Ungruhe. "Questo è dovuto in parte al fatto che gli attuatori pneumatici si comportano in modo diverso a seconda della temperatura ambiente, rendendo possibile una regolazione precisa del punto di presa e della forza solo entro certi limiti." La condensa e altri contaminanti presenti nell'aria compressa complicano ulteriormente le cose. Anche i cilindri pneumatici non sono esenti da manutenzione: necessitano, ad esempio, di lubrificazione. Le guarnizioni possono inoltre intasarsi o presentare perdite, soprattutto alle alte frequenze operative dell'azionamento, rendendo necessaria la sostituzione dell'intero cilindro.
Keller ha quindi fatto un ulteriore passo avanti, sviluppando una pinza dimostrativa completamente elettrica, priva di questi inconvenienti. Dodici motori lineari LinMot PS01-37Sx120-HP-N muovono le ganasce di presa montate direttamente. Sono caratterizzati da una corsa massima di 120 mm, una forza massima di 122 N e un design particolarmente compatto.
Il motore lineare LinMot PS01-37Sx120-HP-N della serie PS01 richiede poco spazio ed è caratterizzato da un'ampia corsa e un'elevata forza massima. (Fonte immagine: LinMot)
Dinamica elevata e ripetibilità grazie ai motori lineari
“I motori lineari offrono un controllo più preciso e sono più dinamici rispetto agli azionamenti pneumatici. Possono inoltre coprire distanze di spostamento molto maggiori in tempi brevi”, riassume lo specialista di automazione e ingegneria elettrica di Keller. Lo schema di posizionamento dei mattoni può essere preimpostato tramite l'interfaccia utente del sistema e modificato con la semplice pressione di un pulsante, senza la necessità di modifiche complesse o sostituzioni della pinza. A differenza degli azionamenti pneumatici, la forza di presa può essere controllata direttamente. Questa capacità, combinata con l'ampia corsa e l'elevata dinamica, è in gran parte responsabile dell'elevata dinamica e ripetibilità offerte dai motori lineari, rendendo la pinza così versatile e in grado di movimentare prodotti delicati come barattoli di vetro o scatole di cartone con la stessa affidabilità di prodotti robusti. La nuova pinza utilizza 12 servocontrollori ProfiNet della serie C1100 di LinMot per controllare i motori lineari. Questi sono stati progettati specificamente per applicazioni in cui i cilindri pneumatici vengono sostituiti da motori lineari. I controller sono molto compatti e leggeri, con dimensioni di soli 146 mm di altezza, 26,6 mm di larghezza e 106 mm di profondità. "Questo è importante in relazione al carico utile della pinza, poiché volevamo posizionare i controller direttamente sulla pinza per ridurre al minimo il numero di cavi che attraversano il robot", spiega Reinhold Ungruhe. Lo svantaggio del peso aggiuntivo è generalmente più che compensato dall'eliminazione dei collettori di valvole, dei componenti meccanici e dei sensori precedentemente necessari, nonché dalla maggiore flessibilità e ripetibilità degli azionamenti elettrici. "Per la produzione in serie, l'utilizzo dei moduli multiasse di LinMot o dei motori decentralizzati dell'azienda con elettronica di azionamento integrata sarebbe vantaggioso per un'ulteriore riduzione di peso e ingombro", aggiunge l'esperto di automazione.
Ecologico ed economico
Nei paesi sviluppati, un altro aspetto degli azionamenti elettrici diretti sta diventando sempre più importante per gli utenti: l'efficienza energetica. "Sempre più produttori di prodotti ceramici grezzi stanno scoprendo che l'efficienza energetica dei loro processi produttivi rappresenta un fattore di differenziazione e un elemento di immagine in grado di incrementare le vendite", riferisce Reinhold Ungruhe.
L'aria compressa non rientra in questo quadro, in quanto è una delle fonti energetiche meno efficienti e quindi più costose. Solo circa il 5% dell'energia utilizzata è effettivamente disponibile come potenza utilizzabile dall'attuatore. Soprattutto con i cilindri ad alta velocità, l'elevato livello di rumorosità da solo evidenzia chiaramente che una grande quantità di energia viene letteralmente sprecata. I maggiori costi iniziali di un azionamento elettrico si ammortizzano rapidamente. Anche con calcoli prudenti, la sua efficienza di circa il 97% significa che l'investimento si ripaga in un massimo di tre anni. Non c'è da stupirsi, quindi, che sempre più aziende si stiano impegnando per eliminare completamente l'aria compressa dai propri processi produttivi. Keller ha recentemente implementato un sistema per riempire blocchi di cemento cavi con lana di roccia interamente senza l'ausilio di sistemi pneumatici. "Il grande interesse suscitato dalla pinza ad Automatica di Monaco conferma la nostra valutazione secondo cui molti settori, al di là di quello della ceramica pesante, stanno seguendo questa tendenza e sono alla ricerca di una soluzione di presa e separazione flessibile e affidabile basata su motori lineari", afferma Reinhold Ungruhe, guardando con ottimismo al prossimo futuro.