Roboti mai compacti si mai usori

Robotii compacti si interactiunea intre oameni si roboti sunt problemele majore ale roboticii in momentul de fata. Micsorarea dimensiunilor si scaderea greutatii robotilor sunt marile provocari, inclusiv in domeniul cablarii si al conecticii care trebuie sa fie adaptate in acest scop. Mai multe optiuni sunt disponibile pentru atingerea acestor deziderate.

Ing. Dan Ciortea, Product Manager Lapp Kabel Romania

Robotii industriali din trecut au creat imaginea unor dispozitive de dimensiuni mari, dispuse in spatele unor garduri de protectie, care, cu brate puternice, pun alaturi piese grele si le sudeaza. Aceasta imagine se schimba . Succesorii acestor roboti au devenit mai mici, nu mai au nevoie de garduri de protectie si si deseori lucreaza alaturi de operatorii umani. Robotii moderni, de dimensiuni si greutati reduse, sunt proiectati pentru a avea o versatilitate deosebita si sunt capabili sa invete executarea unor sarcini noi direct prin ghidare manuala de catre un operator uman. Scopul este obtinerea unei armate de brate motorizate capabila sa asambleze astazi telefoane mobile si maine sa sorteze oua si sa le inlature pe cele care prezinta crapaturi. In industria auto exista deja proiecte pilot in care roboti se deplaseaza prin fabrica pe la statiile de lucru si isi cauta singuri de lucru. Acest tip de roboti pot construi la un moment dat un automobil de la cap la coada fara ca acesta sa faca parte dintr-o serie, astfel incat lotul de produse se restange la o unitate. In acest fel, fiecare masina poate sa fie, de exemplu, individualizata conform dorintei clientului final exprimata printr-o solicitare unica.

 

Roboti usori – cabluri usoare
Viziunea referitoare la robotii usori este una dar modul in care aceasta poate fi transpusa in practica este cu totul altceva deoarece exista obstacole tehnice : servomotoarele trebuie sa fie alimentate cu energie electrica prin cabluri corect dimensionate din punctul de vedere al sectiunii conductorilor din cupru, inchiderea si deschiderea graiferelor necesita un anumit consum de energie iar datele de la senzori si camere video trebuie transmise catre unitatile de control. Cablurile trebuie sa fie usoare si corect pozate pentru a nu impiedica functionarea mecanismelor. Compararea robotilor industriali vechi, de dimensiuni mari, cu robotii actuali, compacti si usori, nu conduce la nici un rezultat deoarece, din punctul de vedere al cablarii sunt folosite solutii complet diferite. La robotii din ultimele generatii cablarea se face prin interiorul bratelor. Daca ar fi cablat pe exterior, sistemul de cabluri ar deranja atunci cand spatiul este restrictionat si robotul se afla langa operatori umani. Cablarea prin interiorul bratelor nu conduce la micsorarea cerintelor pentru cabluri ci , dimpotriva , le amplifica. Razele de indoire ale cablurilor trebuie sa fie mai mici deoarece cablurile sunt pozate mai aproape de axele care asigura gradele de libertate ale bratelor si de cele mai multe ori cablul este afectat si de miscari de rotatie.

 

Conductorul este esential
Din fericire exista mai multe metode pentru a produce cabluri mai compacte si mai robuste astfel incat sa permita raze de indoire mai mici. Oricum, din punctul de vedere al sectiunii conductorilor aceasta este stabilita in functie de specificatiile tehnice ale servomotoarelor sau elementelor de executie care trebuie alimentate cu energie electrica iar in acest domeniu nu exista cai de reducere. O selectie corecta a cablului potrivit poate reduce dimensiunea acestuia. Motoarele sunt din ce in ce mai mici si mai eficiente energetic, deci solicita mai putina putere in cazul robotilor compacti, iar acest fapt conduce la sectiuni mai mici pentru cablurile de alimentare. Producatorii trebuie sa abandoneze conceptul "mai mare este mai bun " si nu trebuie sa utilizeze cabluri supradimensionate asa cum se intampla in cazul robotilor mari care aveau servomotoare de puteri mari. La fel se intampla si in cazul cablurilor destinate senzorilor: daca doar cativa senzori care ofera informatii binare trebuie sa fie interogati de catre sistem, atunci este inutil sa fie utilizat un cablu de Ethernet CAT 6A si poate fi folosit cu succes un cablu CAT 5. Dupa ce toate aceste masuri au fost luate in mod exhaustiv, mai raman si alte optiuni care sa ajute la o cablare usoara :

- Sistemul de izolatii. Previne scurtcircuitul intre conductori si are o influenta deosebita asupra transmisiei de date in cazul cablurilor de magistrala sau a cablurilor de Ethernet. Cablurile de date cu caracteristici bune trebuie sa aibe o capacitate specifica scazuta. Capacitatea este data de distanta dintre conductori si de materialul de izolatie utilizat denumit si dielectric. Capacitatea minima s-ar putea obtine daca in jurul conductorilor ar fi un spatiu vidat sau ar fi aer. De vreme ce acest fapt nu poate fi realizat, trebuie folosit un material care sa aibe constanta dielectrica cat mai mica. Un material care a dovedit performante dielectrice foarte bune este polietilena ( PE ). Pentru cresterea performantei acesteia, in cablurile de date care trebuie sa lucreze cu frecvente mari, polietilena este spumata in timpul extrudarii. Prin modificarea cantitatii de gaz injectat in timpul procesului de spumare, proprietatile legate de capacitatea respectiv inductivitatea cablului pot fi atent controlate. Un cablu subtire, cu dimensiuni optimizate poate fi produs cu specificatiile electrice corespunzatoare prin controlarea grosimii izolatiei si gradului de spumare al acesteia.

 

Lungimea pasului de rasucire
- Impletirea litelor. In scopul usurarii intelegerii procesului, imaginati-va impletirea parului intr-o coada. Cu cat mai strans este impletit, cu atat mai groasa devine coada. Aceasi cantitate de par pieptanat in coada de cal, cu firele de par pozate paralel, ocupa diametrul exterior minim. La fel se intampla si in cazul litelor de cupru care sunt impletite pentru a realiza conductorul. Litele sunt impletite pentru a creste gradul de flexibilitate. Daca toate litele ar fi paralele intre ele, in cursul indoirii, cele aflate in exteriorul manunchiului ar fi supuse efortului de intindere iar cele din interior ar fi expuse comprimarii. Cablul ar fi foarte rigid. Grosimea si flexibilitatea cablului poate fi modificata prin modificarea pasului de rasucire, acesta fiind lungimea in care se executa o rotatie completa. Daca pasul de rasucire este mai lung, grosimea exterioara a acestuia este mai redusa. Lapp a dezvoltat un asemenea tip de cablu pentru un producator de roboti industriali compacti. In cazul cablurilor de date, torsadarea conductorilor dintr-o pereche conduce la cresterea rejectiei modului comun si imbunatateste transmiterea fara erori a semnalelor.

S-au modificat si sarcinile pe care cablajele robotilor trebuie sa le execute. In cazul cablarii clasice la robotii industriali din generatiile vechi, informatiile transmise de catre senzori erau vehiculate prin cabluri de date care transmiteau paralel semnalele ( cablarea unu la unu ). In momentul actual, transmiterea seriala a datelor, prin cabluri de Ethernet de tip CAT 5 permite obtinerea unor rate de transfer de pana la 100 Mbit/s. Pentru robotii compacti se utilizeaza cabluri la care cei patru conductori sunt dispusi in stea fapt care permite obtinerea unor diametre exterioare minimizate , o comportare excelenta la eforturi de indoire sau torsiune si o durata de viata extinsa.

 

O stea in centru
Situatia difera in cazul robotilor care au foarte multi senzori sau camere video care trebuie sa recunoasca piese sau trebuie sa faca control calitativ. Un cablu cu doua perechi in structura stea nu mai poate face fata traficului de date. In acest caz, un cablu de Ethernet CAT 6A este cea mai buna optiune deoarece permite un trafic de date pana la 10 Gbit/s. Aceste cabluri contin patru perechi de conductori torsadati in perechi care la randul lor sunt torsadate. Acest fapt conduce desigur la diametre exterioare mai mari decat in cazul structurii de stea. Suplimentar, in interiorul cablului exista un separator din masa plastica sub forma de cruce care spatiaza perechile astfel incat diafonia dintre perechi sa fie redusa. Metoda permite utilizarea cablului chiar si in interiorul unui brat robotizat acolo unde conditiile de exploatare sunt extrem de dure.

 

Lumina in loc de semnal electric
Cablurile de fibra optica sunt momentan un segment de nisa in productia robotilor industriali actuali. Pentru aplicatiile in care se cere un transfer foarte mare de date, cablurile de fibra optica reprezinta o alternativa viabila cu toate ca momentan cablurile de cupru pot face fata transferului datelor. Cablurile de fibra optica sunt interesante atunci exista posibilitatea aparitiei de interferente electromagnetice intre cablurile de forta strabatute de curenti cu variatii mari si cablurile de date pozate in vecinatate. In acest caz interferentele pot deprecia semnalele electrice din cablurile de date si pot compromite comunicatia. Acest caz poate fi intalnit in cazul si in preajma robotilor de sudura care lucreaza cu curenti foarte mari. Opinia universal raspandita ca fibra optica nu poate fi utilizata in aplicatii flexibile nu este corecta. Fibrele optice din sticla sau polimeri optici pot fi utilizate si in aplicatii flexibile, desigur in limita razelor minime de indoire care trebuie respectate cu mare grija. Pentru robotii mici aceste raze de indoire pot fi un element limitativ. In aceste cazuri, fibrele optice din polimeri optici cu rate de transmitere de pana la 100 Mbit / s, comparabile cu cablurile de cupru, pot fi folosite atunci cand se discuta despre probleme legate de interferente electromagnetice.

 

Evolutia conectorilor
Cerintele producatorilor de roboti legate de cabluri cat mai compacte a condus la modificarea conectorilor utilizati in aceasta sfera. Robotii de dimensiuni mari aveau conectica rectangulara dispusa de obicei pe baza de asezare a robotului si aparatajul dispus intr-un dulap . In cazul robotilor de dimensiuni mici conectorii circulari de tip M23 sunt folositi. Mai mult, flexibilitatea in conectare este un element foarte important. De exemplu daca un robot este imbunatatit prin montarea unei camere video pentru inspectie de calitate, un conector suplimentar trebuie adaugat pentru cablul de date. Pentru a permite aceste modificari cu eforturi si costuri minimizate, Lapp ofera conectorii modulari EPIC MH. Acesti conectori modulari permit pozitionarea in aceeasi rama a modulelor destinate circuitelor de forta, semnale sau date. Daca o noua functie trebuie adaugata robotului, un modul suplimentar poate inlocui un modul a carui functie a disparut.. Aceasta particularitate este deosebit de utila in cazul industriilor care sunt in curs de automatizare pe scara larga, de exemplu industria alimentara. Pentru un producator inovator de roboti industriali Lapp Group a proiectat un conector special : conectorul solicitat trebuia sa fie usor de instalat si sa fie armonios integrat in designul robotului. A fost solicitat un comportament EMC excelent si calificare pentru transfer de date conform standardelor Ethernet, carcasa cu proprietati de preluare a eforturilor de tractiune a cablului si desigur un pret atractiv. Ceea ce parea o problema similara cu rezolvarea cuadraturii cercului a fost rezolvata prin utilizarea unui conector circular M23 la care s-a adaptat un insert modificat conform cerintelor.

Cablurile de alimentare si cele destinate datelor sunt conectate pe sau in interiorul bratului robotizat prin intermediul unor conectori circulari de tip M23. Pentru robotii mai mici acest standard a fost redus la M17 sau M12, acesta din urma devenind foarte popular. Daca se impune conectica si mai mica, de exemplu in cazul robotilor la care cablarea este doar in interior, conectorii de tipul celor precizati nu mai sunt practic utilizabili. In aceste situatii sunt utilizati conectori de tipul celor folositi la placile de cablaj imprimat.

Tendinta spre produse gata facute
Pentru cablurile de alimentare a dulapurilor electrice, tendinta actuala a migrat spre cabluri gata procesate ca si cele oferite de Lapp prin noul brand ÖLFLEX® CONNECT . Cablurile destinate cablarii interioare sunt in continuare predominant cumparate la metraj dar si aici exista deja o tendinta care se indreapta spre cabluri procesate, echipate cu partea de conectica.

Cablurile hibride sunt noua tendinta in cablarea masinariilor. Aceste cabluri contin, sub aceeasi manta exterioara , intreaga tipologie de cabluri de alimentare, semnal, date si chiar si furtunurile pneumatice sau hidraulice. Acest concept nu este potrivit in cazul robotilor compacti datorita spatiului interior restrictiv. Nu are sens sa se combine cablurile destinate servomotoarelor si cele destinate senzorilor deoarece pot fi pana la 6 servomotoare iar razele de curbura trebuie sa fie cat mai mici.

Robot compact – in poza robotul "Racer" fabricat de producatorul italian Comau – este folosit din ce in ce mai mult in diverse aplicatii industriale. Aceasta inseamna ca si componentele necesare producerii robotilor tind sa creasca.
Sursa imaginii: Comau