Os sistemas de posicionamento de robôs são trilhos longos utilizados em armazéns, instalações aeroespaciais e automotivas para permitir que um único robô execute múltiplas tarefas. Também chamados de unidades de transferência de robôs (RTUs) ou sistemas de sétimo eixo, esses projetos de movimentação são cada vez mais comuns em montagens, soldagem em larga escala e armazenagem.

Ao contrário das configurações típicas em que um robô é fixado ao chão, as RTUs (Unidades de Transporte Robótico) movimentam robôs através de células de trabalho e fábricas, transportando-os entre estações. As melhores configurações para RTUs são aquelas em fase de construção ou aquelas em que os processos e as máquinas relacionadas podem ser dispostos em linha reta. Quando as RTUs movimentam robôs de seis eixos, os trilhos lineares também são chamados de sétimo eixo (ou, menos comumente, quando o próprio robô possui sete graus de liberdade, oitavo eixo). Quando esses trilhos fazem parte de uma estrutura, incluindo estruturas das quais o robô está suspenso, são chamados de pórticos.

Independentemente do robô ou da morfologia da esteira, o objetivo do eixo extra é adicionar movimento de translação. Isso amplia a área de trabalho ou permite que um robô transporte peças ou ferramentas. Em algumas configurações, a primeira opção permite que um robô opere várias máquinas simultaneamente, selecione peças em paletes ou usine componentes muito grandes. Já a segunda opção é comumente aplicada em tarefas como embalagem, soldagem, corte a plasma e outras atividades mecânicas.

Aqui, focamos nas opções de acionamento para RTUs. No entanto, observe que os engenheiros também devem decidir entre uma variedade de guias e rolamentos (geralmente na forma de seguidores de came ou guias de perfil).

Existem inúmeras opções de design e acionamento para RTUs.
Embora algumas estruturas de pórtico incluam armações para inverter robôs e suspendê-los para melhor acesso às máquinas por cima, as Unidades de Manobra Robóticas (RTUs) que são parafusadas ao chão e orientam o robô na vertical são as mais comuns. Essas RTUs têm, em média, cargas úteis maiores, suportando braços robóticos e cargas agarradas que pesam milhares de quilos.

Os engenheiros podem comprar RTUs pré-projetadas ou construir RTUs internamente, utilizando sua experiência em sistemas de movimento. As mais simples são pares de trilhos lineares que suportam plataformas às quais o robô é parafusado. No entanto, muitos OEMs contratam integradores especializados para situações em que robôs em RTUs executarão trabalhos de alta precisão — por exemplo, uma tarefa de corte (onde o projeto deve sincronizar a articulação de múltiplos eixos) ou movimentar peças fundidas através de diversas máquinas-ferramenta para processamento.

O maior desafio na engenharia de unidades de transferência robótica é programá-las para sincronizar com a articulação dos braços robóticos que transportam. O segundo maior desafio é fazer com que as unidades de transferência robótica mantenham um movimento linear preciso ao longo de vários metros.

Atender aos requisitos físicos para braçadas longas.
Às vezes, a velocidade é o principal objetivo do projeto de uma RTU (Unidade de Transporte Robótico). Isso é especialmente verdadeiro quando as RTUs transportam robôs por centenas de metros ou até mais em configurações especiais. Alta velocidade no contexto de robôs em movimento — às vezes com braços que pesam milhares de quilos, além de suas cargas úteis — é relativa. No entanto, algumas RTUs podem se mover a mais de 3 metros por segundo com aceleração de até 1 g.

Mas, frequentemente, a precisão é o objetivo primordial do projeto de uma RTU (Unidade de Tempo de Retorno). Considere uma aplicação em que um robô auxilia uma célula de trabalho cooperativa na usinagem, por exemplo. Nesse caso, a velocidade e a extensão da área de trabalho do robô só são úteis se a estrutura circundante mantiver a precisão. Tais projetos geralmente exigem precisão de 0,02 mm e repetibilidade de posicionamento de cerca de 0,2 mm durante os movimentos da esteira.

Em contrapartida, se uma aplicação utiliza um braço robótico para tarefas que exigem controles adaptativos, mas que dependem menos de precisão absoluta, outras configurações podem funcionar. Isso pode até mesmo assumir a forma de um veículo móvel equipado com um braço robótico — por exemplo, para descarregar contêineres de transporte.

Independentemente do projeto, baixa manutenção e longa vida útil são cruciais para todas as configurações de RTU, visto que geralmente estão associadas a mais de uma função da planta e a diversas outras máquinas. Portanto, o tempo de inatividade da RTU frequentemente tira outras estações de operação.

A segurança integrada também é importante porque muitas RTUs movimentam robôs por campos com equipamentos caros, como máquinas-ferramenta, ou mesmo trabalhadores — especialmente onde operam em áreas com pessoal de montagem.

Correias, parafusos e sistemas pneumáticos para unidades de tratamento de ar (RTUs).
Pórticos robóticos que percorrem distâncias lineares de médio alcance frequentemente utilizam motores acoplados a transmissões por correia. Esses sistemas são relativamente simples e usam polias acionadas por motores elétricos para criar tensão ao longo de uma correia e acelerar rapidamente. No entanto, à medida que os percursos aumentam, podem surgir problemas com a folga da correia se o sistema não conseguir manter a tensão em toda a sua extensão. Para esclarecer, o problema não é a limitação da carga útil, mas sim o risco de perda de movimento devido à flexibilidade da correia.

Existem exceções à ressalva da escalabilidade. Em algumas RTUs (Unidades de Manobra Robóticas), eixos de correia (acionados por um eixo de transmissão comum) acionam manivelas harmônicas. Nesses casos, os acionamentos por correia podem manter a precisão para posicionamento robótico de longo curso sob as condições adequadas. A maioria das RTUs com acionamento por correia bem-sucedidas utiliza estruturas e trilhos lineares em orientações complementares para obter maior precisão da configuração. Algumas dessas RTUs com atuadores de trilho acionados por correia podem manter uma repetibilidade de ± 0,001 polegadas, mesmo movimentando robôs de uma tonelada por dezenas de metros. Nesses casos (graças aos trilhos adequados), os atuadores acionados por correia resultam em RTUs mais baratas e flexíveis do que as alternativas.

Outra opção para o sétimo eixo é um eixo acionado por fuso de esferas. Essa configuração elimina a vibração e o efeito mola que podem surgir em transmissões por correia. Essencialmente, um elemento mecânico fixo mantém o controle para parada e posicionamento precisos.

Os fusos de esferas geralmente funcionam bem em configurações de até cerca de seis metros de comprimento com a ajuda de suportes de rolamento intermitentes. Em eixos mais longos, o principal problema é que os fusos vibram em altas velocidades, especialmente se não tiverem suporte suficiente. Isso ocorre porque os eixos dos fusos de esferas se curvam sob o próprio peso. Então, na velocidade crítica (uma função do diâmetro do eixo do fuso, da retilineidade, do alinhamento e do comprimento sem suporte), o movimento excita a frequência natural do eixo. Portanto, a velocidade máxima diminui à medida que o comprimento do fuso de esferas aumenta.

Algumas configurações utilizam blocos de apoio que se separam e se recolhem, permanecendo fixos e suportando o fuso para uma extensão mais longa e sem oscilação. No entanto, para esteiras extralongas acionadas por fusos de esferas, os fabricantes precisam unir vários fusos (geralmente com cola em vez de solda para evitar deformações geométricas). Caso contrário, o fuso precisa ter um diâmetro extragrande para resolver o problema da oscilação. Os cursos de algumas dessas configurações baseadas em fusos de esferas chegam a 10 metros e atingem 4.000 rpm. Outro ponto importante: os fusos nas esteiras dos robôs precisam de proteção contra sujeira e detritos. Contudo, onde funcionam, as unidades de transformação robótica (RTUs) que utilizam motores elétricos combinados com fusos de esferas suportam cargas maiores do que os eixos acionados por correia.

Existem também sistemas hidráulicos para configurações de longo curso. Essas unidades de transferência de robô pneumáticas (RTUs) geralmente são uma solução de baixo custo para aplicações que exigem apenas posicionamento de vaivém com duas paradas. Os modelos mais comuns se movem a 2 m/s e se integram a outros controles de robôs.

Motores lineares para RTUs de precisão
Unidades de transferência de tempo (RTUs) de longo curso (para uso em robótica de laboratório, por exemplo) podem usar acionamentos por motores lineares. A maioria dessas RTUs também inclui eletrônica de última geração, encoders absolutos e controle de movimento para rastreamento de eixos, mesmo após erros ou desligamentos.

O alcance mais típico de um motor linear é de cerca de quatro metros. Esse alcance é mais adequado para operações de pick-and-place e manuseio de wafers semicondutores do que para aplicações mais pesadas em unidades de transporte remoto (RTUs). Em resumo, os motores lineares em RTUs representam um desafio particular, pois, além de oferecerem precisão mecânica, precisam suportar cargas pesadas. Isso exige um maior uso dos caros ímãs permanentes que conferem aos motores lineares um desempenho tão eficiente.

Existem exceções. Uma RTU recordista mundial com atuadores lineares em tandem foi encomendada e construída sob medida para uma configuração de automação que exigia movimentos de precisão de até 12 m. Trilhos de suporte rígidos de alumínio funcionam com dois rolamentos lineares de esferas recirculantes de seis carreiras e conjuntos de guias. Dois motores lineares síncronos ranhurados fornecem força de até 4.200 N.

Conjuntos de cremalheira e pinhão para RTUs
As unidades de transformação robótica (RTUs) disponíveis comercialmente que utilizam conjuntos de cremalheira e pinhão são as mais comuns. Os comprimentos típicos chegam a 15 metros. O controle da unidade linear é integrado como um eixo matematicamente acoplado no controlador do robô, o que elimina a necessidade de um controlador adicional. Muitas dessas RTUs mantêm a precisão mesmo em cursos de 30 metros, combinando um servomotor CA sem escovas e uma caixa de engrenagens planetária com conjuntos de cremalheira e pinhão helicoidais retificados. Outras configurações utilizam um carro que se move sobre um trilho de borda única sobre roletes robustos em um bloco. Nesse caso, os trilhos geralmente são retangulares com uma cremalheira entalhada em uma das bordas internas. Estes podem ser unidos a segmentos curvos quando essa configuração for vantajosa.

Algumas unidades de movimentação robótica (RTUs) que movimentam o robô sobre a plataforma móvel utilizam trilhos de superfície plana feitos de aço temperado, combinados com conjuntos de cames e seguidores. Outras utilizam um motor elétrico com redutor helicoidal e correia para acionar a plataforma. Já no eixo longitudinal do veículo, a RTU possui um motorredutor elétrico que aciona um pinhão que engata em uma cremalheira.

Simulação e programação de RTUs
Existem ferramentas que permitem aos engenheiros planejar os trajetos das RTUs (Unidades de Transporte Robótico) e coordená-los com as funções do robô. Softwares de simulação de robôs e até mesmo alguns módulos de controle de movimento permitem que os engenheiros planejem trajetórias, carreguem o software resultante em um controlador e, em seguida, controlem o robô e a RTU com esse único componente de hardware.

Outra opção é o software de empresas especializadas que vendem kits de desenvolvimento de robôs, os quais permitem a programação de praticamente qualquer marca de robô por meio de APIs. Essas e inúmeras outras ferramentas de software tornam a configuração de robôs mais fácil do que nunca, especialmente para equipes com experiência moderada em controle de movimento ou CNC. As iterações iniciais de projeto geralmente ocorrem por meio de programação offline em um PC. Em seguida, quando a equipe instala o robô e a RTU (Unidade de Transmissão Rotativa), o software de programação gera o código que é carregado nos controles. O software conduz a RTU e o robô por trajetórias programadas para testar possíveis problemas. Depois, o instalador usa um controle remoto para posicionar a garra, a ferramenta de corte ou o efetor final do robô em pontos específicos do espaço, enquanto o controlador registra os movimentos. Alternativamente, os instaladores podem usar um controle remoto para toda a configuração e, em seguida, refinar as trajetórias no sistema operacional — uma abordagem cada vez mais comum.

Advertência: as RTUs complicam a calibração do robô
Após a configuração física, as RTUs (Unidades de Transformação em Tempo Real) e os robôs precisam de calibração. O problema é que os robôs industriais, quando emparelhados com RTUs, frequentemente realizam movimentos repetíveis, mas não precisos, resultando em movimentos de saída que diferem das aproximações da simulação. Sozinhos, os robôs industriais apresentam uma repetibilidade unidirecional média de 0,1 mm a 0,01 mm. Os eixos típicos combinam uma caixa de engrenagens e um motor sem folga, e um controlador os monitora com encoders de alta resolução. Aumentar ainda mais a precisão do movimento de saída torna-se caro, pois conjuntos e componentes, como engrenagens, introduzem folga (principalmente devido à flexibilidade mecânica). Portanto, os controles muitas vezes precisam compensar erros de posicionamento na escala de milímetros em alguns casos.

A calibração tradicional de robôs utiliza alinhamento a laser, um método dispendioso. Em alguns casos, isso pode reduzir o erro de saída em até vinte vezes. Caso contrário, os fabricantes de robôs oferecem calibração de fábrica. Empresas especializadas em calibração de robôs também oferecem serviços que consideram o impacto da adição de uma RTU (Unidade de Teste de Robô) na precisão geral do robô. Outra opção são os sensores de câmera dupla, que permitem inspeção por sondagem e medição dinâmica por meio de óptica e iluminação especial. Os métodos mecânicos de calibração são outra alternativa, embora sejam mais difíceis de aplicar a robôs com esteiras longas.