Calibrazione e precisione nei robot

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Keba propone Kemro X, la soluzione hardware e software per l’analisi, la simulazione, il controllo e la calibrazione dei robot

Da quando i robot industriali sono stati introdotti negli anni ‘50, sono cambiate in modo radicale sia le specifiche di progetto che i metodi di realizzazione. Originariamente, il loro impiego era focalizzato ad assolvere compiti ripetitivi di presa e deposito di oggetti, con requisiti di precisione poco stringenti. In seguito, l’accuratezza nell’esecuzione delle traiettorie è aumentata attraverso meccaniche più leggere, azionamenti elettrici, riduttori di precisione, tutto gestito da controllori più moderni, in grado di eseguire programmi di controllo delle traiettorie più avanzati. Scostamenti di traiettoria inferiori a 1 mm sono oggi molto comuni; tuttavia, vi è una comprensibile difficoltà nel momento in cui sono richieste prestazioni ancora più precise. Sono diverse le applicazioni che richiedono un livello di accuratezza inferiore a 0,1 mm, per esempio il taglio e la saldatura laser, le tecnologie di coating o la stampa 3D, dove gli spessori di ricopertura richiedono uniformità o misure molto precise. In materia di precisione, i progettisti si sono per lo più concentrati sui sistemi meccanici, in modo da renderli il più possibile vicini a un sistema ideale. Oggi, il trend tecnologico si concentra sulla maggiore capacità di calcolo e sulla tecnica di misura, finalizzate ad aumentare la precisione del controllo. Le caratteristiche e le imprecisioni del sistema meccanico possono essere integrate nel sistema di controllo in modo da consentire una previsione di scostamento dal modello previsto. Focalizzarsi sulla calibrazione dei robot e sulle funzioni di compensazione ha generato i migliori risultati, specie nella produzione di serie.

La validazione dei robot, indispensabile per la precisione finale

La norma ISO 9283 definisce metodi di misura e criteri di calcolo riguardo a diversi aspetti della precisione. Questo standard specifica parametri sia statici, sia dinamici e consente di comparare facilmente la caratterizzazione dei robot, anche di diversi costruttori. Inoltre, definisce una procedura di validazione correlata a formule precise per il calcolo delle prestazioni di precisione. Tuttavia, questi standard rispondono in modo generico ai requisiti di precisione e non sono completamente adeguati ai diversi livelli richiesti dalle singole applicazioni. Per questo motivo occorre determinare altri fattori, quali lo spazio di lavoro, la forma delle traiettorie e le velocità richieste. È pertanto indispensabile effettuare verifiche incrociate sulle prestazioni di precisione raggiunte nell’ambiente di esecuzione dell’applicazione.

Fattori fondamentali per incrementare la precisione dei robot

Raggiungere la precisione richiesta per i movimenti di un robot o per una specifica applicazione, minimizzando l’impegno progettuale e, di conseguenza, l’impatto economico, richiede una profonda conoscenza dei fattori che incidono sulla precisione, quali la geometria del robot e le caratteristiche degli organi meccanici. Per generare un modello di compensazione affidabile i progettisti devono essere in grado di individuare con esattezza gli elementi critici della catena cinematica, alcuni dei quali possono avere un effetto significativo sull’accuratezza finale; nello specifico si parla di: geometria del robot; organi meccanici come i riduttori e le relative prestazioni in termini di elasticità, giochi all’inversione del moto, isteresi o attriti sugli ingranaggi; limitata rigidità dovuta a elasticità dei giunti o limiti dei cuscinetti; errori dei servoattuatori; vibrazioni. Per ottimizzare il modello di compensazione, l’incidenza dei singoli fattori è strettamente legata al tipo di cinematica. È pertanto molto importante identificare i fattori più significativi per poter creare un modello di compensazione affidabile e specifico per ogni applicazione. Occorre anche tenere presente che maggiore sarà il numero di parametri da inserire nel modello di compensazione, maggiore sarà la complessità per effettuare la calibrazione e la validazione del modello stesso. Inoltre, un modello di compensazione complesso e con molti parametri può risultare inaffidabile e inefficace, con il conseguente peggioramento della precisione finale.

Obiettivi dell’accuratezza

La caratterizzazione dell’accuratezza di un robot è un’operazione di per sé complessa, poiché esistono differenti specifiche che dipendono dalle caratteristiche della singola applicazione. Le strategie di calibrazione e compensazione di un robot possono variare a seconda delle condizioni applicative; può capitare, quindi, che, dopo aver valutato i diversi fattori di influenza, si comprenda come il risultato ottimale per il controllo preciso di un’applicazione possa essere raggiunto con uno sforzo inferiore rispetto a quanto ipotizzato inizialmente.

Precisione statica, assoluta e ripetibilità

Come accennato, le specifiche dei robot industriali più comuni fanno solitamente riferimento a valori di precisione inferiori a 0,1 mm. Questi valori si riferiscono alla precisione statica, dove la prestazione è validata da un test che misura la precisione con cui un robot è in grado di ritornare in un punto predefinito, dopo aver percorso una certa traiettoria. Tuttavia, va considerato che nelle applicazioni pratiche vi sono altri due aspetti importanti da considerare: la precisione assoluta e la ripetibilità dinamica. La ripetibilità dinamica descrive con quanta precisione un determinato percorso viene ripetuto. La precisione assoluta rappresenta il risultato di precisione più difficile da raggiungere. Infatti, la precisione assoluta è definita come la tolleranza con cui un robot percorre qualsiasi percorso all’interno della sua area di lavoro rispetto alla traiettoria programmata. Bisogna considerare però che la precisone richiesta da ogni singola applicazione può differire anche di diversi ordini di grandezza. La specifica della precisione deve tenere conto dei requisiti dell’applicazione, per esempio: il target è un punto o un percorso? La posizione del pezzo deve essere misurata rispetto alla posizione del robot o rispetto ad altri riferimenti? Le traiettorie percorse saranno sempre le stesse o saranno diverse a ogni ciclo? Considerando che le nuove frontiere per le applicazioni robotiche di precisione sono il taglio e la saldatura laser, la verniciatura con tecnologia ink-jet, il micro-assemblaggio e l’additive manufacturing, le tecniche di calibrazione e compensazione sono fattori determinanti per la robotica del futuro.

Keba propone Kemro X

I controllori robotici Keba possono eseguire un modello dinamico per cinematiche robotiche seriali e parallele. I parametri del modello dinamico possono essere acquisiti dai dati di progetto, o possono essere ricavati da una procedura di identificazione. Il modello dinamico contiene anche i parametri di attrito, la cui precisa compensazione garantisce un’elevata precisione, sia nell’esecuzione di traiettorie a bassa velocità, sia in situazioni in cui i giunti invertono direzione. Il software di controllo dei robot Keba dispone di funzioni per la calibrazione dei robot che utilizzano laser tracker o altri dispositivi di misura esterni. I risultati della calibrazione possono essere importati direttamente nella configurazione del robot, evitando così problemi di conversione dei dati. Le funzionalità avanzate di calibrazione robotica integrate in Kemro X non considerano solo i parametri geometrici, ma anche l’elasticità degli ingranaggi. Il software di controllo robotico Keba supporta inoltre le procedure di validazione dei robot. È possibile generare programmi robotici secondo lo standard ISO 9283, eseguire le misurazioni e calcolare i risultati di precisione secondo lo standard. Quando si utilizza un laser tracker con interfaccia realtime, sono supportate le misure dinamiche. Questa funzione è particolarmente importante per le applicazioni che richiedono un’elevata precisione lungo l’intera traiettoria di movimento. L’analisi può essere utilizzata per incrementare l’accuratezza, suggerendo una migliore calibrazione, una diversa compensazione delle caratteristiche meccaniche, l’ottimizzazione dei loop di servo-controllo o anche indicazioni su dove intervenire per migliorare la meccanica. Oltre alle citate funzionalità software, a livello hardware la piattaforma Kemro X comprende CPU di controllo e di sicurezza scalabili in grado di gestire programmi PLC, motion e multi-robot, HMI da pannello e palmari, anche con tecnologia wireless, drive muti-asse estremamente compatti ed efficienti e una gamma di servomotori molto estesa. Kemro X è in grado di soddisfare sia i più stringenti requisiti dei costruttori di robot, sia la flessibilità richiesta dai costruttori di macchine automatiche che vogliono integrare funzionalità motion e robotiche facendole interagire tra loro nella stessa piattaforma di controllo.

Keba – www.keba.com/it/home

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