Se hai mai osservato una catena di montaggio di una fabbrica, una stazione di movimentazione dei materiali o una cella di produzione su piccola scala spostare le parti con precisione, è probabile che dietro il lavoro ci fosse un servo robot a 3 assi. Questi robot compatti e affidabili sono i cavalli di battaglia di molte operazioni, apprezzati per la loro semplicità, convenienza e prestazioni costanti. Ma se ne stai acquistando uno o stai cercando di aggiornare la tua attuale configurazione, una domanda che quasi sempre sorge è: qual è la capacità di carico di ciascun asse di un servo robot a 3 assi?
In qualità di fornitore di questi robot, ricevo questa domanda quasi ogni giorno. Non è banale. Il calcolo errato della capacità di carico, soprattutto per i singoli assi, è un errore comune che porta a usura prematura, tempi di fermo o addirittura parti danneggiate. Nel corso degli anni, ho lavorato con tutti, dalle piccole officine meccaniche ai grandi produttori di componenti automobilistici, e ho visto in prima persona come il corretto carico di ciascun asse migliora o interrompe la durata di vita di un robot.
Per prima cosa, facciamo un passo indietro per assicurarci di essere tutti sulla stessa lunghezza d'onda: un servo robot a 3 assi ha tre assi di movimento primari, quasi sempre chiamati assi della spalla, del gomito e del polso. Alcune persone confondono i termini, ma ai fini della capacità di carico, è più semplice pensare a ciascun asse come a un giunto che muove una parte specifica del braccio del robot. L'asse della base (spesso indicato come asse J1) ruota l'intero braccio a sinistra e a destra, l'asse della spalla (J2) solleva e abbassa la parte superiore del braccio, l'asse del gomito (J3) estende o ritrae l'avambraccio e su alcuni piccoli modelli a 3 assi, il polso potrebbe essere semplificato in un effettore terminale fisso anziché in un'articolazione rotante. Aspetta, in realtà vorrei chiarire che: alcuni fornitori contano solo le tre articolazioni principali, quindi J1, J2, J3 e la presa dell'effettore finale sono uno strumento separato, non un asse. Questa è una distinzione fondamentale perché cambia il modo in cui misuriamo il carico.
Ora, la capacità di carico non è un numero unico per l'intero robot: è diversa per ciascun asse e dipende da alcuni fattori: la lunghezza di ciascun segmento del braccio, la velocità con cui ti muovi, il peso dell'effettore finale (come pinze o ventose) e anche la frequenza con cui avvii e arresti il robot. Ad esempio, un robot che sposta lentamente una parte pesante avrà un carico effettivo maggiore rispetto a uno che sposta la stessa parte a piena velocità, poiché l’accelerazione e la decelerazione aggiungono forza alle articolazioni.
Analizziamo ciascun asse, in base ai servo robot standard a 3 assi che forniamo qui.
A partire dall'asse J1, l'asse di base, che ruota orizzontalmente l'intero braccio del robot. Questa è la "spalla" della base ed è responsabile del sostegno dell'intero peso della parte superiore del braccio, dell'avambraccio, dell'effettore finale e di qualsiasi carico trasportato. Quindi è l'asse con la maggiore capacità di carico, giusto? Non sempre, in realtà. Aspetta, no, siamo precisi qui. Per la maggior parte dei robot a 3 assi progettati per la movimentazione dei materiali e il semplice assemblaggio, l'asse J1 è costruito per gestire il carico utile totale con l'estensione completa del braccio. Se il tuo robot ha una portata massima di 1 metro e stai estendendo il braccio completamente, il J1 deve supportare l'intero carico, più la coppia del braccio di leva creata dalla lunghezza estesa. Un errore comune commesso dai clienti è pensare: "Se il mio pezzo pesa 5 kg, ogni asse può gestire 5 kg". Ma non è affatto vero. L'asse J1, quando il braccio è completamente esteso, deve resistere non solo alla parte da 5 kg, ma alla forza di quel peso che tira verso l'esterno mentre ruota. Ecco perché, per il nostro servo robot a 3 assi standard, l'asse J1 ha una capacità di carico compresa tra 10 kg e 20 kg, a seconda del modello. Ma questo è a portata di mano. Se operi a metà della portata massima, il J1 può gestire anche di più, fino a 30 kg su alcuni dei nostri modelli più pesanti.
Il prossimo è l'asse J2, l'asse della spalla che solleva e abbassa la parte superiore del braccio. Questo asse è responsabile del supporto della parte inferiore del braccio, dell'avambraccio e del carico utile, ma non deve resistere all'intera coppia di rotazione orizzontale come il J1. Deve invece gestire il carico verticale mentre il braccio si muove su e giù. La sua capacità di carico è leggermente inferiore a quella del J1 per la maggior parte dei range operativi. Ad esempio, con un'estensione media del braccio, l'asse J2 può generalmente gestire tra 8 kg e 15 kg. Il compromesso qui è la velocità: se muovi rapidamente il braccio tra le posizioni, il J2 deve generare più coppia per accelerare il movimento verso l'alto/il basso, quindi la sua capacità di carico effettiva diminuisce a velocità più elevate. Ecco perché consigliamo sempre ai clienti di adattare la velocità del robot ai requisiti di carico: far funzionare un robot alla massima velocità con un carico quasi massimo comporterà un'usura prematura dei cuscinetti nell'asse J2, il che significa costose riparazioni lungo la linea.
Poi c'è l'asse J3, l'asse del gomito che estende e ritrae l'avambraccio. Questo è l'asse che ha la capacità di carico più bassa dei tre assi principali, ed è spesso il più trascurato. L'asse J3 supporta solo il peso dell'avambraccio, dell'effettore finale e del carico utile quando il braccio è completamente esteso o retratto. Poiché l'avambraccio è una leva, quando si estende completamente l'avambraccio, il J3 deve resistere alle forze di flessione provenienti dall'estremità del braccio. La sua capacità di carico è solitamente compresa tra 5 kg e 10 kg, sempre a seconda del modello e del raggio d'azione. Ciò che rende complicato questo asse è che è il più vicino all'estremità del braccio, quindi anche una piccola parte sovraccaricata qui può causare uno stress significativo sull'articolazione. Ricordo un cliente un paio di anni fa che acquistò un robot a 3 assi per spostare piccoli pezzi stampati in metallo. Stava caricando parti proprio sulla punta dell'avambraccio esteso e nel giro di sei mesi continuava a rompere il cambio del J3. Si è scoperto che stava mettendo parti da 8 kg su un asse valutato per soli 5 kg, perché non si era reso conto che la capacità del J3 era inferiore a quella degli altri due. Una volta passato a un modello con una capacità J3 maggiore, i tempi di inattività sono scesi quasi a zero.
Ora parliamo dei fattori che cambiano questi numeri, perché non sono scolpiti nella pietra. Innanzitutto, la lunghezza del braccio. Disponiamo di modelli con portate da 500 mm, 800 mm e anche di più, anche se per applicazioni con portata più lunga molti clienti passano a robot multiasse come i servo robot a 5 assi, che offrono maggiore precisione per lavori prolungati. Aspetta, a proposito, se la tua applicazione richiede una flessibilità maggiore di quella che possono offrire 3 assi, la nostra linea a 5 assi è un'ottima opzione, incluso un servo robot a 5 assi per uso generale e un manipolatore servocomandato CA a cinque assi costruiti per carichi più elevati e percorsi più complessi. Un altro fattore è l'effettore finale. Una pinza pneumatica potrebbe pesare 1 kg, mentre una pinza idraulica personalizzata potrebbe pesare 5 kg e tale peso deve essere aggiunto al carico utile quando si calcola il carico di ciascun asse. Questo è qualcosa che controlliamo sempre quando facciamo un preventivo per un robot: chiediamo il peso dell'attrezzatura che stai utilizzando, in modo da poter adattare di conseguenza le nostre raccomandazioni sulla capacità.
La velocità è un altro aspetto importante. Tutti i nostri valori di capacità di carico si basano su velocità operative standard per uso continuo. Se utilizzi il robot al 100% della velocità tutto il giorno, tutti i giorni, dovresti ridurre il carico utile effettivo del 15-20% per prolungare la vita del robot. Se lo utilizzi per operazioni più lente e di precisione, puoi avvicinarti alla capacità nominale. Inoltre, il ciclo di lavoro: quanto spesso fermi e avvii il robot. Le applicazioni con tempi di ciclo molto frequenti (come la raccolta e il posizionamento di parti ogni 2 secondi) sottopongono a maggiore stress tutti gli assi, quindi in questo caso sono migliori carichi inferiori.
Spesso mi viene chiesto: "Esiste un modo per aggiornare un robot a 3 assi se ho bisogno di una maggiore capacità di carico?" La risposta breve è: di solito non, perché il motore, il riduttore e i cuscinetti di ciascun asse sono dimensionati per un carico specifico. Ecco perché è fondamentale farlo bene la prima volta. Se hai a che fare con carichi utili pesanti o applicazioni che richiedono parti mobili lontane dalla base, un modello a 3 assi potrebbe non essere la soluzione migliore e otterrai prestazioni migliori da un modello con braccio più lungo o da un design multiasse. Ad esempio, se è necessario raggiungere un'ampia area di lavoro, il nostro manipolatore professionale a braccio super lungo è costruito per raggiungere una portata estesa mantenendo una capacità di carico costante.
Molte persone si chiedono anche come si confrontano i robot a 3 assi con altri tipi. Per applicazioni con carichi molto elevati, come lo spostamento di parti di oltre 50 kg, un robot parallelo potrebbe essere un'opzione, ma questi sono migliori per carichi utili molto veloci e leggeri. I servo robot a 3 assi raggiungono un buon equilibrio tra capacità di carico, costo e semplicità, motivo per cui sono così popolari. Sono più facili da programmare rispetto ai robot a 5 assi e più compatti dei bracci industriali più grandi per celle di lavoro di piccole e medie dimensioni. Naturalmente, se le tue esigenze crescono, disponiamo anche della linea di robot di pressofusione a 5 assi progettata per operazioni di pressofusione pesanti e ad alta velocità, in grado di gestire carichi totali molto più elevati rispetto ai nostri modelli standard a 3 assi.
Ecco un suggerimento che ho imparato in anni di lavoro con i clienti: non limitarti a guardare il carico utile totale del robot, guarda la capacità di carico individuale di ciascun asse, in particolare per l'asse J3. La maggior parte dei produttori elenca il carico utile totale nella scheda tecnica del robot, ma non riduce la capacità per asse, che è ciò di cui hai effettivamente bisogno per l'affidabilità a lungo termine. Nella nostra azienda forniamo sempre un'analisi completa della capacità di carico di ciascun asse, insieme a portata, velocità e altre specifiche, in modo che i nostri clienti non vengano colti di sorpresa.
Un altro errore comune è valutare erroneamente il braccio del momento. Il braccio di momento è la distanza dall'asse al centro di gravità del carico. Ad esempio, se hai una parte da 10 kg all'estremità di un avambraccio da 800 mm, il momento sarà 10 kg * 0,8 m = 8 kg·m, ovvero una grande forza sull'asse J3. Se muovi la stessa parte a metà dell'avambraccio, il momento scende a 10 kg * 0,4 m = 4 kg·m, quindi l'asse J3 può gestirlo facilmente. Ecco perché capire dove è posizionato il carico rispetto a ciascun asse è importante quanto conoscere il peso del carico.
Se non sei ancora sicuro della capacità di carico necessaria per ciascun asse, la cosa migliore da fare è contattare il nostro team. Abbiamo aiutato centinaia di clienti a scegliere il servo robot a 3 assi giusto (o a passare a un modello multiasse) in base ai requisiti specifici di applicazione, carico utile, portata e velocità. Ad esempio, un cliente nel settore dell'elettronica potrebbe aver bisogno di un piccolo robot a 3 assi con capacità J1 di 5 kg per la movimentazione di circuiti stampati, mentre un cliente nel settore dello stampaggio dei metalli potrebbe aver bisogno di un modello J1 più pesante da 20 kg per spostare pezzi stampati di grandi dimensioni. Collaboriamo inoltre con i clienti per adattare le configurazioni se le loro esigenze cambiano nel tempo e offriamo supporto per l'integrazione di effettori finali e altri componenti.
Dovrei anche menzionare che la capacità di carico non è l'unico fattore nella scelta di un servo robot a 3 assi. Precisione, ripetibilità, efficienza energetica e facilità di programmazione sono tutti importanti, ma la capacità di carico è il fondamento. Un robot che può raggiungere tutti i posti giusti, muoversi velocemente ed è facile da programmare è inutile se si rompe perché hai sovraccaricato l'asse J3.
Vorrei concludere con un breve riepilogo per essere sicuro che sia chiaro: per un servo robot standard a 3 assi, ciascun asse ha una capacità di carico distinta, con l'asse J1 (base) che è il più forte, seguito da J2 (spalla), quindi J3 (gomito) come il più debole. Questi numeri cambiano in base alla lunghezza del braccio, alla velocità, al peso dell'effettore finale e alla distanza del carico dall'asse. È sempre meglio sottovalutare il carico richiesto e andare un po' più in alto di quanto pensi di aver bisogno, piuttosto che spingere un robot ai suoi limiti, il che comporterà più manutenzione e tempi di inattività.
Se sei alla ricerca di un robot servo a 3 assi o se stai pensando di passare a una soluzione multiasse per applicazioni più pesanti o flessibili, siamo qui per aiutarti. Il nostro team può guidarti attraverso le specifiche, rispondere a domande sulla capacità di carico per asse e aiutarti a trovare il robot giusto per le tue operazioni. Che tu abbia bisogno di un piccolo modello per uso generale o di un robot specializzato per un settore specifico, abbiamo opzioni che soddisfano le tue esigenze.
Riferimenti:
- Robot industriali: capacità di carico e prestazioni degli assi, Robotics Industry Association, 2022
- Progettazione di servo robot: calcoli di coppia e carico, Giornale di ingegneria meccanica, volume 15, numero 3, 2021
- Applicazioni robotiche per la movimentazione dei materiali: idee sbagliate comuni sul carico utile, rivista Manufacturing Engineering, 2023
- Specifiche prestazionali per robot industriali, ISO 10218-1:2011
Se desideri discutere i tuoi requisiti di carico, le esigenze applicative o richiedere un preventivo personalizzato, contatta il nostro team per una guida professionale sulla selezione del servo robot a 3 assi giusto per le tue operazioni.