Come migliorare la precisione robotica

Nel panorama della robotica industriale, sempre più evoluta e innovativa, garantire una trasmissione precisa è fondamentale per il corretto funzionamento dei robot, soprattutto in tutte quelle applicazioni che richiedono affidabilità e prestazioni elevate. Va detto però che la strada verso la massima precisione è costellata di sfide tecniche. Tra queste, calibrazione e compensazione degli errori si rivelano essenziali per migliorare le prestazioni del sistema, anche se serve un approccio davvero meticoloso per risolvere le problematiche che giunzioni, ingranaggi e dinamiche di funzionamento possono presentare.

Com’è costituita la geometria del robot

La geometria di un robot antropomorfo è definita dalle angolazioni e dalle distanze delle giunzioni che compongono il braccio. Un elemento chiave per il controllo è il Tool Center Point (TCP).

Il TCP è normalmente definito come un punto caratteristico dello strumento (tool) una coordinata ben definita (nello spazio Cartesiano) che il robot prende come riferimento per posizionarsi. Il TCP costituisce l’origine del sistema di coordinate i cui assi di spostamento sono quelli naturali in relazione alla tipologia dello strumento. Pertanto la definizione del TCP è molto importante per qualsiasi applicazione.

Oltre agli aspetti geometrici appena descritti, entrano in gioco anche le caratteristiche meccaniche del robot che sono la sommatoria delle proprietà degli ingranaggi. Essi comprendono valori di elasticità, isteresi e di ripple (conosciuto anche come oscillazione nel rapporto di trasmissione). La struttura del robot, infatti, non è mai completamente rigida: ogni possibile variazione nel carico può generare deformazioni più o meno minime che alterano la posizione del TCP. Questa problematica rende necessaria l’adozione di modelli dinamici accurati che tengano conto di tutte queste variabili.

Elasticità, isteresi e ripple: ostacoli alla precisione

Ogni particolare meccanico possiede determinate caratteristiche e assieme ad esse vi sono anche proprietà “nocive” che possono interagire in maggior misura laddove i requisiti meccanici sono più stringenti. Infatti, dove le tolleranze e i giochi sono dimensionati in modo da ottenere una precisione pressoché assoluta, le proprietà intrinseche di uno o più pezzi diventano un vero e proprio ostacolo.

Quali sono le proprietà da considerare?

• Elasticità: Gli ingranaggi e i cuscinetti del robot hanno la tendenza a deformarsi sotto carico, influendo negativamente sulla precisione. Sebbene gli ingranaggi siano dimensionati per resistere a forze elevate, la loro rigidità non è uniforme. Essi presentano una flessibilità più accentuata sotto carichi bassi e diventano via via più rigidi con l’aumentare del carico. In questo caso la sfida consiste nel compensare questo comportamento attraverso modelli dinamici. Questo approccio permette di ridurre gli errori a condizione che le forze applicate siano costantemente monitorate.
• Isteresi: Questo fenomeno si può descrivere come una quantità di ritardo nella risposta dell’ingranaggio alle sollecitazioni. L’isteresi, o meglio il ritardo, può amplificare gli errori posizionali, tuttavia vi sono anche due altri fattori che entrano in gioco rappresentati dall’attrito e dal gioco interno. Questi ultimi complicano ulteriormente la determinazione della posizione esatta del TCP, soprattutto durante i movimenti lenti o le inversioni di direzione.
• Ripple: Questa caratteristica riguarda le imperfezioni nella geometria dei denti degli ingranaggi.  Esse possono creare variazioni più o meno percettibili nel rapporto di trasmissione ma che si traducono in vere e proprie oscillazioni nella posizione del TCP. Come detto, anche nell’eventualità di trovarci dinnanzi a scostamenti minimi, parliamo dell’ordine di decimi di millimetro, queste derive possono risultare cruciali e fortemente impattanti in tutte le applicazioni di alta precisione.

Errori del servo e soluzioni pratiche

Gli ostacoli alla precisione non si limitano purtroppo alle sole proprietà degli ingranaggi. Anche i servomotori possono generare scostamenti tra la posizione reale e quella teorica; anche questo problema è causato da possibili attriti o alle variazioni nel carico. Anche in questo caso, l’adozione di modelli dinamici accurati può compensare questi errori, ma per lo più a livello teorico poiché nella pratica, in modo analogo al monitoraggio delle forze applicate, come l’elasticità, si rende necessario un controllo continuo di feedback per mantenere la precisione operativa del robot.

Tecnologie per la compensazione degli errori

Una volta individuate le problematiche, esistono tecniche con le quali superare la sfida e che vedono sostanzialmente l’implementazione di un doppio encoder come anche l’adozione di Keba Kemro X.

Sistema a doppio encoder

Questo approccio prevede l’uso di un secondo encoder sull’albero di uscita dell’ingranaggio, che misura direttamente l’angolo della giunzione e consente di rilevare immediatamente gli scompensi confrontando la posizione teorica con quella effettiva. Grazie a questa configurazione, il sistema può compensare automaticamente i giochi e l’attrito, migliorando significativamente la precisione. In sostanza, la presenza del secondo encoder consente al controller di rilevare le discrepanze e adattare il movimento del robot in tempo reale.

Piattaforma KEBA Kemro X

KEBA, in collaborazione con Nabtesco, ha sviluppato una soluzione integrata che consente di affrontare e risolvere le problematiche degli ingranaggi fin qui descritte, già in fase progettuale. La piattaforma Kemro X combina sia l’hardware che il software per effettuare l’analisi, la calibrazione e il controllo dei robot.

• L’Hardware scalabile include una CPU di controllo e sicurezza, l’HMI (interfaccia utente), drive multi-asse e servomotori, tutti progettati per ottimizzare le prestazioni del robot.
• Il Software avanzato comprende modelli dinamici precisi e funzioni di simulazione con cui analizzare e compensare in tempo reale parametri critici come l’elasticità e l’isteresi dell’ingranaggio. Con Kemro X, i dati specifici di ogni ingranaggio vengono integrati nel modello dinamico del robot in modo da adattarsi completamente con il risultato di semplificare le operazioni di calibrazione e migliorare la precisione complessiva.

Conclusioni

La precisione delle trasmissioni impiegate nella robotica dipende da molteplici fattori che, come abbiamo visto, vanno dalla geometria delle giunzioni passando per le proprietà intrinseche degli ingranaggi, fino agli errori del servo. Soluzioni come il sistema a doppio encoder e la piattaforma KEBA Kemro X rappresentano approcci complementari per affrontare queste sfide dove nell’attuale contesto industriale la precisione è sempre più determinante. Tecnologie come quelle prese in analisi sono in grado di sbloccare tutto il potenziale dell’automazione spinta con cui ottimizzare i processi produttivi, garantire una maggiore efficienza ed elevare l’affidabilità nelle applicazioni robotiche.