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Il ruolo dei cavi nei sistemi robotizzati

Sempre più complesse e veloci sequenze di movimenti dei moderni sistemi robotizzati nelle applicazioni industriali richiedono cavi flessibili resistenti alla torsione con lunga durata di esercizio, ma non solo.

Quando si guarda un sistema industriale di una certa complessità, soprattutto se con parti mobili che eseguono velocemente sequenze di operazioni diverse, l’attenzione è soprattutto attirata dall’insieme dei movimenti, dalla rapidità e precisione delle azioni. Si ha quindi una percezione di insieme che porta a un’incompleta valutazione dei componenti di dettaglio costituenti la macchina, con priorità a quelli più appariscenti.

E’ il caso dei robot, per il quale si valuta la dinamica complessiva, concentrandosi semmai sul braccio mobile o sugli elementi di presa anche perché incuriosisce e stupisce il modo in cui la tecnologia sia riuscita a imitare movimenti tipici dell’uomo, per esempio afferrare e spostare. Più precisamente il riferimento è a una delle differenti categorie di robot, i cosiddetti robot antropomorfi, caratterizzati da una struttura cinematica aperta, con sei gradi di libertà e un inviluppo di lavoro sferico, il cui nome evoca la riproduzione della sembianza e del movimento di un braccio umano. Per curiosità, i sei gradi di libertà prima citati si possono associare a mano, polso, gomito, braccio, spalla e corpo (quest’ultima parte è la base cui il robot è ancorato). I movimenti si basano su complessi algoritmi di cinematica, gestiti da un controllo elettronico centrale, e gli elementi meccanici costituenti sono tra loro collegati da giunti e movimentati da motori elettrici che vanno ovviamente alimentati, senza dimenticare il flusso di segnali e dati da e verso il robot, e qui entrano in gioco i cavi, che non sono normali cavi elettrici, ma con caratteristiche adatte all’impiego in sistemi robotizzati.

Alcune considerazioni generali
Parlando di cavi per il settore della robotica, vi sono ben precise caratteristiche prestazionali che devono essere garantite. La trasmissione sicura dei dati deve mantenersi anche nelle condizioni più avverse: accelerazioni intense unite a milioni di cicli alterni di sollecitazione a fatica e repentini cambi di direzione sono solo alcuni dei requisiti ai quali i cavi per la robotica devono rispondere.

Ulteriori fattori chiave che contraddistinguono i materiali dei cavi sono rappresentati dalla resistenza alle alte temperature e agli agenti chimici. Fili, trefoli, schermi e materiali di rivestimento dei cavi devono compensare i due principali cambiamenti: nel carico di flessione e nel diametro a causa di movimenti torsionali. A questo scopo, si utilizzano diversi elementi strutturali “soft”, per esempio le fibre di rayon, gli elementi PTFE o di riempimento che assorbono le forze di torsione nei cavi. Il politetrafluoroetilene (PTFE) è un polimero del tetrafluoroetene, normalmente più conosciuto nelle sue denominazioni commerciali, per esempio Teflon, Fluon, Algoflon, Hostaflon, dove al polimero sono aggiunti altri componenti stabilizzanti e fluidificanti per migliorarne le possibilità applicative. È una materia plastica liscia al tatto e resistente alle alte temperature (fino a 300 °C), usata nell’industria per ricoprire superfici sottoposte ad alte temperature alle quali si richiede una “antiaderenza”, e infatti per far fronte ai requisiti speciali dei cavi resistenti alla torsione si scelgono strutture di schermatura con resistenza alla torsione ottimale, in grado di sopportare i necessari movimenti di compensazione grazie a film speciali a scorrimento in PTFE.

In molti cavi per motori, per segnali di controllo e in cavi bus, la protezione da possibili danni prevede una mescola in PUR (poliuretano) senza alogeni e non propagante la fiamma, mentre una mescola del rivestimento in TPE (elastomero termoplastico), anch’essa altamente resistente all’abrasione e priva di alogeni, soddisfa i requisiti speciali delle fibre ottiche resistenti alla torsione. Stante che la sollecitazione meccanica dei cavi per robot è una combinazione di flessione, torsione e forze centrifughe non determinabile a priori o durante l’uso con strumenti di misura, risulta difficile se non impossibile avere una chiara indicazione “sì/ no” sulla possibilità di utilizzare un determinato cavo. Per consentire la valutazione, sulla base di risultati di test comparabili, sono state sviluppare prove di torsione secondo criteri standard.

L’importanza della fase di test
Dal momento che i cavi per la robotica devono essere in grado di seguire senza problemi movimenti complessi, devono essere realizzati con materiali, design e processi produttivi appositi, e l’elemento decisivo è rappresentato dai test finali in laboratorio, in quanto solo una lunga serie di prove può evidenziare nella pratica quali siano i materiali e le strutture in grado di sopportare meglio i pesanti requisiti del settore. Le case costruttrici si sono quindi attrezzate per eseguire dei collaudi esaustivi, sviluppando anche propri standard.

Un caso emblematico è quello dell’azienda tedesca Igus che gestisce un laboratorio nel quale testa non solo i propri prodotti ma anche quelli di numerose altre aziende. Giusto per dettagliare un’operazione tipica, i cavi per la robotica sono montati fissandoli su entrambi i lati a una distanza di un metro, poi vengono sottoposti a una torsione di ±180° con una catena portacavi triflex R progettata per la torsione e sviluppata dall’azienda per robot a sei assi. Si ricorda che le catene portacavi, che possono essere in nylon ma anche in acciaio nel caso di cavi di grandi dimensioni e peso, sono elementi indispensabili per la protezione dei cavi in movimento in applicazioni non solo con robot ma anche con elementi trasportatori e sistemi di magazzinaggio, macchine utensili e movimentazione in genere. Durante questo processo, uno specifico cavo per robot, il chainflex CFROBOT8.045 ha sostenuto e superato 22 milioni di movimenti torsionali. Tutti i risultati dei test sono archiviati in un database e sono disponibili online per consentire agli utenti di calcolare la durata utile del cavo scelto. I conduttori, la struttura delle cordature, le schermature e i materiali dei rivestimenti esterni sono costantemente sottoposti a elevati carichi a causa della torsione. 

Per mantenere stabili i cavi e garantire la sicurezza dei dati, è stata individuata una combinazione di film estremamente scorrevoli e stabili, oltre a particolari elementi di riempimento che hanno una funzione simile a quella degli ammortizzatori nelle auto, assorbendo sistematicamente le forze. Le differenti modalità di schermatura dipendono poi dai requisiti elettrici da soddisfare: per esempio, per i cavi chainflex CFROBOT Ethernet la schermatura a treccia delle coppie twistate con rivestimenti speciali si è dimostrata quella maggiormente adatta durante i test.

La gestione dei cavi
La tematica relative a cavi e robot non si limita ai cavi che portano alimentazione o segnali, ma si amplia soprattutto alle soluzioni dedicate a guidare e proteggere i cavi. In termini generali per guidare e proteggere i cavi in un robot a sei assi sono possibili tre differenti opzioni, ben note e collaudate. La prima fa riferimento a tubi corrugati o flessibili, usualmente disponibili in un’ampia gamma di dimensioni e soluzioni realizzative; tra i principali vantaggi, una forte resistenza allo strappo ai punti di connessione e una lunga service life, anche con cicli di piegatura molto intensi. Come limite, i tubi corrugati hanno ben poca resistenza alla torsione, e in quanto fissati tra due punti con lunghezza definite, possono essere soggetti a stiramenti a seguito dei movimenti del robot, il che porta a uno stress indesiderato. In alcuni casi si sono inoltre manifestate delle interferenze con il “tooling” dei robot, cioè con gli utensili montati alla fine del braccio mobile. In particolare il problema si può presentare in corrispondenza del sesto asse, quello relativo al “polso”, dove i movimenti possono essere significativi, con anche rotazioni di 180°, e questo può essere causa di malfunzionamenti.

Come alternativa si può adottare la seconda opzione, un “enclosed dress pack” montato direttamente sul robot, costituito da tubi corrugati alloggiati in una struttura di plastica rinforzata. Questa struttura completamente chiusa aumenta senz’altro la robustezza complessiva, ma rende però difficoltosa la manutenzione e, stante l’assenza di modularità, l’intera unità deve essere sostituita se un componente si rompe. Inoltre possono insorgere dei problemi anche in caso di un cambiamento della programmazione dei movimenti del robot, dato che il dress pack non permette ai cavi di andare oltre il loro raggio massimo di curvatura.

Recentemente è stata realizzata un’interessante innovazione da parte di un’azienda tedesca, la Reiku, con l’introduzione di un sistema di compensazione della lunghezza attiva, tale da ridurre significativamente i carichi meccanici che agiscono sul dress pack durante i movimenti veloci e continui del robot. Il pack è infatti movimentato lungo una guida lineare sincronizzata con le funzioni del robot tramite segnali di trigger trasmessi dal sistema di controllo del robot stesso nell’esecuzione della sua attività sequenziale. In sostanza si ha un bilanciamento dinamico della differenza tra la lunghezza massima del cavo e la lunghezza in un dato momento effettivamente richiesta: se è richiesto meno cavo, per esempio, questo si ritrae evitando indesiderate flessioni o torsioni come avviene con i dress pack tradizionali. Come vantaggi, minor  quantità di materiale, nel senso di cavi e relative strutture, da collocare sul robot, e minori stress sui cavi e riduzione dei rischi di rottura per fatica.

Infine, la terza alternativa, i “robotic cable carrier”, o catene portacavi che, come i dress pack, si montano direttamente sui robot e ne rappresentano l’evoluzione. Tra i principali vantaggi che sono evidenziati per questa soluzione, un’alta stabilità in torsione e fine torsione, un design modulare che può essere ridotto o ampliato liberamente, un definito raggio di curvatura che protegge i cavi dall’andare oltre il massimo raggio previsto dalle caratteristiche costruttive, e infine la disponibilità sul mercato di soluzioni complete che includono cavi compatibili con catene portacavi, mentre il limite maggiore è l’impossibilità di gestire movimenti circolari con carichi pesanti. Il design modulare è uno dei punti di forza variamente sottolineato dai costruttori. Considerando un prodotto reale presente sul mercato, e denominato TRFL 100, dove F sta per “flip open”, ogni maglia della catena presenta tre traversini che possono essere aperti a libro facilitando l’inserimento nella catena di condotti anche di grande diametro. La catena può poi essere allungata o accorciata aggiungendo o togliendo elementi a piacimento. Le catene portacavi sono ottimali soprattutto per l’utilizzo con robot di saldatura in aree ristrette, e anche per operazioni robotizzate di material handling.

Dalla teoria alla pratica
Da quanto sin qui esposto sembra che le regole del gioco siano abbastanza chiare, come pure i riferimenti e le opzioni disponibili. Ma in realtà il comportamento di progettisti e utenti non è particolarmente coerente, tanto che una ricerca del RIARobotic Industries Association, rileva che nel concepire una cella robotizzata, in sostanza un centro di lavoro che prevede come elemento principale un robot, si tiene conto di molteplici variabili e componenti, mentre il “cabling” è spesso sottostimato se non addirittura trascurato nella fase progettuale, malgrado possa rappresentare una tra le principali cause di blocco per guasto di una cella di lavorazione. In pratica, si affronta il cablaggio solo dopo aver accuratamente valutato e scelto l’utensile di lavoro del robot, dopo aver definito e programmato i movimenti ciclici e risolte tulle le questioni inerenti la sicurezza, ma così facendo può crearsi una situazione che costringe, proprio per necessità di un cabling corretto e affidabile, di riprendere in mano passi progettuali precedenti apportando modifiche che allungano i tempi di completamento del sistema.

Uno tra gli errori più frequenti è l’utilizzo di tipi di cavi non adeguati all’applicazione: i robot non sono certo recenti, ma lo è la loro rapida diffusione in contesti industriali dove prima si privilegiavano le operazioni manuali, senza dimenticare la loro accresciuta potenzialità funzionale, non sempre correttamente percepita dall’utente finale, e per quanto nei team progettuali siano oramai presenti competenze diversificate, spesso manca l’attenzione a quello che è considerato un elemento banale, il cavo, il filo, il collegamento, più compito dell’elettricista che non del tecnico altamente specializzato ma poco esperto di cabling e degli impatti sull’affidabilità di un sistema delle crescenti sofisticazioni delle “tecnologie del filo”.  22 gennaio 2016

Fonte Link http://www.tecnologiedelfilo.it/il-ruolo-dei-cavi-nei-sistemi-robotizzati/ 

 

 

 

 

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