Il ruolo della lavorazione CNC di precisione nello sviluppo di soluzioni robotiche all'avanguardia.

Ogni componente mobile all'interno di un robot ha un compito ben preciso: eseguire lo stesso movimento, con la stessa precisione, migliaia di volte senza guasti. Questa aspettativa viene meno nel momento in cui un giunto, un ingranaggio o l'alloggiamento di un sensore escono dalla loro tolleranza micrometrica. La lavorazione CNC di precisione è ciò che impedisce che ciò accada.

Dalla fresatura di superfici complesse e sagomate su bracci robotici alla tornitura di alberi sub-millimetrici per sistemi di trasmissione, la lavorazione CNC offre agli ingegneri robotici il controllo dimensionale e la flessibilità dei materiali che nessun altro metodo di fabbricazione è in grado di eguagliare su larga scala. Rappresenta il ponte tra un modello CAD e un robot funzionale che si muove, afferra e reagisce con precisione ripetibile.

Con il progressivo avanzamento della robotica in ambito industriale, dei servizi e delle applicazioni basate sull'intelligenza artificiale, le esigenze della lavorazione CNC si sono spostate da una precisione "sufficiente" a una precisione di "0,005 mm, su più assi, in leghe temprate".

Ecco cosa tratteremo:

●   Come la lavorazione CNC di precisione modella le parti strutturali e funzionali su cui fanno affidamento i robot

●   Quali componenti robotici specifici dipendono dalle tolleranze a livello CNC?

●   Come le funzionalità CNC multiasse gestiscono le geometrie complesse dei pezzi

●   Dove si colloca la lavorazione CNC nei diversi tipi di robot

●   Cosa distingue un lavoro CNC standard da un risultato di livello robotico?

Se state cercando componenti metallici per sistemi robotici, la differenza tra un robot che funziona e uno che funziona in modo affidabile inizia proprio qui.

Costruzione dello scheletro di un robot con lavorazione CNC

Il corpo di un robot è composto da una serie di parti metalliche che devono funzionare in modo armonioso, anche sotto pressione, ad alta velocità e con un utilizzo ripetuto. Ed è la lavorazione CNC di precisione che trasforma una barra di metallo grezzo in quei componenti con la precisione necessaria ai robot.

Ecco, in parole semplici, perché è importante:

●   La struttura portante di un robot è costituita da componenti strutturali. Telaio, piastre di base e bracci sopportano tutte le sollecitazioni meccaniche di un sistema robotico. Se una macchina CNC non riesce a mantenere queste superfici livellate e allineate, il robot inizierà a perdere l'equilibrio nel tempo e a sviluppare giochi nei suoi movimenti.

●   Le parti mobili sono tutte gestite da componenti funzionali. Ingranaggi, alberi, giunti e alloggiamenti delle giunzioni devono ruotare, scorrere o bloccarsi con un attrito minimo per garantire il corretto funzionamento del robot. Le operazioni di tornitura e fresatura CNC conferiscono a questi componenti la finitura liscia e la precisione necessarie per svolgere il lavoro in modo ripetitivo.

●   I componenti di integrazione collegano tutti i sistemi e ne garantiscono il corretto funzionamento. I supporti dei sensori, le staffe degli encoder e gli alloggiamenti dei connettori devono essere perfettamente allineati con l'elettronica. Anche il minimo errore di posizionamento può falsare le letture dei sensori e compromettere il circuito di feedback del robot sulla testa.

Componenti CNC strutturali vs. funzionali

Il filo conduttore che unisce tutte e tre le categorie è che la produzione di componenti robotici non lascia praticamente alcun margine di tolleranza. Un pezzo che, misurato con un calibro, risulta "sufficientemente preciso", può comunque causare una perdita di precisione di posizionamento in un robot dopo poche centinaia di cicli.

Consiglio pratico: quando si esaminano i disegni di componenti CNC per assemblaggi robotizzati, prestare molta attenzione alle tolleranze geometriche e dimensionali (GD&T) relative alla posizione reale e all'eccentricità. Queste due tolleranze hanno il maggiore impatto sulle prestazioni di un componente all'interno di un sistema in movimento.

Il CNC multiasse conferisce ai robot la loro complessa geometria

I componenti robotici raramente hanno forme semplici. L'alloggiamento di un giunto potrebbe richiedere canali interni sagomati, superfici di montaggio angolate e filettature, il tutto ricavato da un unico pezzo. Le tradizionali macchine CNC a 3 assi possono gestire parte di queste lavorazioni, ma obbligano a riposizionare il pezzo più volte, e ogni riposizionamento introduce un piccolo errore.

È qui che le macchine CNC a 5 e 6 assi cambiano le carte in tavola.

Perché il numero di assi è importante nella robotica

Una macchina a 5 assi può avvicinarsi al pezzo in lavorazione praticamente da qualsiasi angolazione in un'unica configurazione. Ciò significa:

●   Meno impostazioni, meno errori. Quando si lavora un braccio robotico o un alloggiamento del riduttore in un'unica fase di serraggio, si eliminano gli errori di tolleranza dovuti al ribaltamento e al riposizionamento del pezzo. Per la lavorazione CNC di precisione a livello di ±0,005 mm, questo è imprescindibile.

●   È possibile realizzare sottosquadri e caratteristiche interne. Molti componenti robotici richiedono canali incassati, tasche angolate o pareti interne curve che un mandrino a 3 assi non può fisicamente raggiungere. Il movimento multiasse consente di realizzare queste caratteristiche senza richiedere operazioni secondarie come l'elettroerosione o la finitura manuale.

●   Migliore continuità superficiale su pezzi sagomati. Le pinze robotiche, i segmenti del braccio e gli effettori terminali personalizzati presentano spesso superfici lisce e fluide che il percorso dell'utensile deve seguire senza lasciare segni di dislivello visibili. Una macchina a 5 assi mantiene l'utensile ad un angolo ottimale durante tutto il taglio, producendo una finitura più pulita in un minor numero di passaggi.

È proprio per questo motivo che, nell'ultimo decennio, la lavorazione CNC per la robotica si è orientata in modo significativo verso piattaforme multiasse. La geometria lo impone e le tolleranze ristrette non lasciano spazio a soluzioni alternative.

Come ogni tipo di robot è unico nelle sue esigenze CNC

Non tutti i robot sono cloni: non si muovono tutti allo stesso modo, non sollevano gli stessi carichi e non operano nello stesso ambiente. Ciò significa che i requisiti del sistema CNC possono essere molto diversi a seconda della funzione che il robot deve svolgere.

1. Robot industriali

Questi sono i pezzi grossi. Stiamo parlando di bracci di saldatura, sistemi di prelievo e posizionamento e robot per linee di assemblaggio che funzionano senza sosta tutto il giorno sotto enormi quantità di coppia e vibrazioni. Se produciamo componenti che verranno utilizzati in questo tipo di robot, dobbiamo concentrarci su:

●   Diventare resistenti nei punti giusti, come ingranaggi, alberi e viti senza fine che devono sopportare una costante sollecitazione rotazionale, e quindi usurarsi molto meno.

●   Mantenere la stabilità con alloggiamenti di giunzione e flange di montaggio che non possono permettersi di spostarsi sotto ripetuti urti meccanici

2. Robot di servizio e robot basati sull'intelligenza artificiale

I robot di benvenuto, gli assistenti domestici e i robot dotati di intelligenza artificiale che si muovono su due gambe operano generalmente in un ambiente meccanico piuttosto tranquillo. Ma, stranamente, i requisiti per le macchine a controllo numerico (CNC) diventano più complessi in determinate aree, perché questi robot sono ricchi di sensori e dipendono dal feedback che questi forniscono.

●   Montaggio estremamente preciso per array di sensori, moduli telecamera e staffe LiDAR che inviano tutti quei dati al cervello del robot.

●   Realizzare componenti leggeri e maneggevoli in lega di alluminio, in modo che l'intero sistema si muova in modo fluido e senza intoppi, senza risultare troppo ingombrante da maneggiare.

3. Robot agricoli

I robot da campo devono affrontare polvere, umidità, temperature estreme e terreni accidentati per tutto il giorno. La lavorazione CNC per questi robot significa soprattutto resistere alle condizioni più difficili sul campo, piuttosto che preoccuparsi dei dettagli più fini.

●   Realizzare componenti in grado di resistere alle sollecitazioni più intense, utilizzando materiali come leghe di alluminio e acciaio inossidabile trattato, capaci di sopportare acqua e agenti chimici.

●   Assicurarsi che le guarnizioni siano perfette, in modo che non ci siano perdite sulle parti esterne del robot.

In sostanza, la produzione CNC di componenti per la robotica non è mai una soluzione universale. Dobbiamo definire correttamente il processo, i materiali e le specifiche in modo che corrispondano a ciò che il robot dovrà effettivamente fare una volta impiegato nel mondo reale.

Come Fortuna costruisce componenti per robotica su scala con precisione

Fortuna ha dedicato quasi due decenni alla creazione di un sistema di produzione specificamente progettato per componenti metallici di altissima precisione. Nel campo della robotica, ciò significa disporre di un impianto in grado di gestire qualsiasi progetto, da un prototipo unico a una produzione su larga scala, senza compromettere minimamente la precisione.

Tipologie di componenti robotici che produciamo

La nostra produzione nel settore della robotica copre tutti i componenti strutturali, funzionali e di integrazione necessari ai produttori di robot. E al momento stiamo producendo attivamente:

●   Componenti per i sistemi di movimento: ovvero ingranaggi epicicloidali, giunti rotanti, ingranaggi a vite senza fine, accoppiamenti e alberi che consentono ai bracci robotici di muoversi con estrema precisione.

●   Componenti strutturali: piastre di base del robot, biellette dei bracci, biellette di assemblaggio dei bracci, alloggiamenti delle giunture e flange di montaggio che sopportano le sollecitazioni meccaniche, ovvero gli elementi che mantengono il robot in funzione.

●   Componenti per fotocamere ed elettronica: involucri per sensori, supporti per encoder, staffe per moduli fotocamera e alloggiamenti per connettori che proteggono e posizionano componenti elettronici estremamente sensibili.

●   Componenti specializzati: giunti a dita, pinze personalizzate, componenti per il cambio utensili, dissipatori di calore, barre collettrici e molle di contatto che rendono ogni robot unico.

I 3 metodi principali con cui portiamo a termine il lavoro

La lavorazione CNC di precisione è la base, ma la integriamo con altri due processi per offrire ai produttori un servizio completo per la fornitura di componenti robotici:

●   Lavorazione CNC con un'infinità di assi utilizzando 40 macchine a 5 assi e 2 macchine a 6 assi, tutte di fabbricazione giapponese, e tutte in grado di garantire errori di concentricità entro 0,005 mm su componenti come moduli di giunti robotici e basi per sensori.

●   Stampaggio progressivo che completa il lavoro in un'unica operazione: punzonatura, piegatura e formatura in un unico passaggio fluido, mantenendo comunque una tolleranza di ±0,01 mm.

●   La rivettatura nello stampo, che combina stampaggio e fissaggio in un'unica operazione - all'interno dello stampo - elimina gli errori secondari e ci consente di raggiungere i 100 cicli al minuto.

Controllo qualità dall'inizio alla spedizione

Ogni componente robotico viene sottoposto a un processo di ispezione a più livelli prima di lasciare il nostro stabilimento:

●   Analisi DFM in fase di progettazione per individuare rischi come la deformazione del materiale e la formazione di bave prima ancora di iniziare la lavorazione.

●   Ispezione del primo campione mediante CMM e strumenti di misura 2.5D per verificare le dimensioni rispetto alle specifiche di disegno.

●   Controlli a campione IPQC a intervalli programmati durante la produzione per individuare eventuali deviazioni nelle dimensioni critiche.

●   La linea di produzione integra un sistema di ispezione visiva CCD e una misurazione ottica 3D per la verifica automatizzata.

●   Tracciabilità completa dei dati per ogni componente, dal lotto di materia prima fino all'accettazione finale.

Questo approccio a strati è ciò che distingue la produzione di componenti robotici presso Fortuna dalle officine CNC generiche. Quando le prestazioni del robot dipendono dal fatto che ogni parte mantenga le proprie specifiche per migliaia di cicli operativi, il processo alla base di tali parti deve essere a prova di bomba.

In conclusione su CNC e robotica

Ad ogni nuova generazione, i robot diventano sempre più intelligenti, veloci e capaci. Ma tutta questa crescente sofisticazione non servirà a nulla se i componenti interni non saranno in grado di resistere al calore per cui sono stati progettati, sia in senso letterale che figurato. La verità è che la lavorazione CNC di precisione è ciò che colma il divario tra le idee dei progettisti e le prestazioni effettive dei componenti nel mondo reale.

I punti chiave di questo articolo sono piuttosto semplici:

●   I componenti robotici coprono aspetti strutturali, funzionali e di integrazione, e ognuno di essi presenta requisiti CNC estremamente rigorosi che devono essere rispettati.

●   La lavorazione multiasse è diventata praticamente lo standard per la robotica perché, diciamocelo, i pezzi complessi non possono tollerare passivamente gli errori di riposizionamento.

●   Diversi tipi di robot impongono esigenze completamente diverse al processo CNC, che si tratti di resistenza all'usura nei bracci robotici industriali o di ottenere un allineamento a livello microscopico preciso nei sistemi basati sull'intelligenza artificiale.

L'industria della robotica continuerà a spingere verso tolleranze sempre più ristrette, materiali sempre più leggeri e progetti sempre più complessi; i produttori che basano la propria attività su partner CNC già a questo livello avranno molta più facilità nell'aumentare la produzione e operare in modo più fluido sul campo.

Il massimo delle prestazioni del tuo robot inizia dalla piccola macchina che produce i componenti.