Il sistema ontologico dei robot industriali, in breve, è la parte hardware che costituisce il robot stesso. Comprende i componenti principali come base, vita, braccia, polsi ed effettori finali, che lavorano insieme per eseguire varie attività industriali. Dietro la struttura meccanica apparentemente semplice si celano una tecnologia estremamente complessa e un design preciso.
1.1 Struttura meccanica e gradi di libertà
I robot industriali adottano tipicamente strutture meccaniche articolate con da 4 a 6 gradi di libertà (DOF). Tra questi, 3 gradi di libertà vengono utilizzati per controllare la posizione dell'effettore finale e gli altri da 1 a 3 gradi di libertà vengono utilizzati per regolare la postura e la direzione dell'effettore finale. Questi gradi di libertà consentono ai robot di eseguire compiti delicati e complessi come la movimentazione, la saldatura e l’assemblaggio.
L'effettore finale (ovvero la "mano" del braccio robotico) può essere personalizzato in base a specifici scenari applicativi, equipaggiato con diversi strumenti di lavoro come pistole di saldatura, ventose, chiavi inglesi, pistole a spruzzo, ecc. Questa flessibilità consente ai robot industriali di adattarsi alle diverse esigenze dei vari settori.
1.2 Progettazione di macchine di precisione e controllo dinamico
La struttura del corpo dei robot industriali non deve solo considerare i requisiti della meccanica e della dinamica, ma deve anche avere un'elevata precisione ed elevata rigidità. La progettazione di ciascun componente richiede un'analisi dinamica e un'ottimizzazione precise. Prendendo come esempio il polso, per ottenere una complessa regolazione della postura sono necessari più giunti girevoli (solitamente 3 gradi di libertà). Il collegamento tra questi giunti genera vibrazioni e come ridurre queste vibrazioni attraverso un controllo preciso garantendo al contempo l'accuratezza del movimento del robot è una sfida progettuale.
Inoltre, per ottenere un funzionamento ad alta-precisione, i robot industriali di solito richiedono che la precisione di posizionamento ripetuto dell'effettore finale raggiunga ± 0,05 mm o anche superiore. Questa precisione è fondamentale per alcuni settori chiave come la produzione automobilistica, l'assemblaggio di prodotti elettronici, ecc.
1.3 Requisiti ad alte prestazioni per i componenti principali
Le prestazioni dei robot dipendono in larga misura dai loro componenti principali, inclusi servomotori, riduttori ed encoder. I servomotori sono la fonte di energia per i robot, mentre i riduttori di precisione (come i riduttori armonici) sono responsabili della conversione della rotazione del motore nel movimento del braccio robotico, garantendo che il robot possa completare le attività in modo efficiente e accurato. L'encoder è un componente chiave utilizzato per rilevare la posizione del braccio robotico, garantendo che ogni giunto possa essere controllato con precisione per il movimento.
La difficoltà tecnica di questi componenti principali è relativamente elevata e il costo rappresenta anche la maggior parte del costo del corpo del robot. Pertanto, i produttori di robot spesso personalizzano fortemente questi componenti e collaborano anche con i principali fornitori per garantire che i robot possano soddisfare gli elevati-standard prestazionali richiesti.
1.4 Scienza dei materiali e tecnologia di produzione
Per mantenere prestazioni stabili dei robot industriali durante il funzionamento a lungo-termine, la struttura del corpo è spesso realizzata in una speciale lega di alluminio pressofuso o in acciaio ad alta-resistenza. Questi materiali vengono sottoposti a lavorazione meccanica di precisione e trattamento termico per bilanciare resistenza, rigidità e leggerezza, garantendo che i robot possano sopportare carichi di lavoro a lungo-termine.
Oltre alla resistenza del materiale stesso, anche la prestazione di tenuta del giunto è un requisito di progettazione molto importante. Ad esempio, i robot industriali richiedono in genere un certo livello di protezione per impedire l’intrusione di polvere o liquidi. Anche le operazioni ad alta-intensità a lungo termine possono causare usura dei componenti, quindi scegliere materiali con una buona resistenza all'usura e garantirla attraverso processi di precisione è diventata un'altra sfida tecnica per i robot.
1.5 Elevata integrazione e adattamento del sistema
I robot industriali non sono solo semplici corpi meccanici, devono essere altamente integrati con molteplici sistemi come sistemi di controllo e sensori. Il corpo del robot deve scambiare dati in tempo reale-con il controller tramite un bus ad alta-velocità (come EtherCAT) per regolare con precisione il suo stato di movimento.
Allo stesso tempo, per adattarsi meglio ad ambienti industriali complessi, i robot devono anche integrare vari sensori, come sensori di forza, sensori di visione, ecc. Questi sensori possono consentire ai robot di “percepire” l’ambiente circostante e fornire risposte adattive. Ad esempio, durante la saldatura, i robot possono utilizzare sensori di forza per rilevare i cambiamenti nella forza di contatto, controllando così accuratamente il processo di saldatura.
Diversi scenari applicativi hanno anche requisiti diversi per i robot. Attività come la movimentazione, la saldatura e l'assemblaggio richiedono requisiti diversi in termini di capacità di carico, ampiezza di movimento e precisione dei robot. Pertanto, i robot industriali solitamente necessitano di essere personalizzati in base agli scenari applicativi reali per garantire le massime prestazioni in condizioni specifiche.
2. Ragioni per cui i robot industriali sostituiscono il lavoro umano: efficienti, precisi e sicuri
Quindi, su quali basi i robot industriali possono sostituire il lavoro umano? La risposta sta nella loro efficienza, precisione e sicurezza.
2.1 Efficienza
I robot possono lavorare 24 ore su 24 senza interruzioni, migliorando notevolmente l’efficienza produttiva. Soprattutto in alcuni compiti altamente ripetitivi, i robot possono completare rapidamente il loro lavoro senza essere influenzati da fattori umani come stanchezza e fluttuazioni emotive.
2.2 Precisione
Come accennato in precedenza, i robot industriali possono eseguire operazioni di alta-precisione, il che li rende particolarmente adatti a scenari che richiedono tolleranze rigorose e operazioni meticolose. In settori quali la produzione automobilistica e l'assemblaggio elettronico, i robot possono raggiungere una precisione ben superiore a quella umana, garantendo prodotti di alta-qualità.
2.3 Sicurezza
I robot possono sostituire gli esseri umani in alcuni lavori pericolosi, come la saldatura in ambienti ad alta-temperatura e la manipolazione di materiali radioattivi. Ciò non solo protegge la sicurezza dei lavoratori, ma riduce anche gli incidenti-correlati al lavoro, garantendo la stabilità e l'efficienza del processo produttivo.
Sebbene i robot industriali abbiano sostituito il lavoro umano in molti campi e portato a termine un gran numero di compiti pesanti, il loro sviluppo tecnologico è ancora in costante progresso. Con il continuo progresso di tecnologie come l'intelligenza artificiale, l'Internet delle cose e i big data, i futuri robot industriali diventeranno più intelligenti, capaci di giudizio autonomo, processo decisionale-e di collaborazione con altri dispositivi per ottenere modalità di produzione più efficienti.
I robot industriali non sono pensati per sostituire completamente il lavoro umano, ma per lavorare a stretto contatto con gli esseri umani, liberando il lavoro umano e consentendo agli esseri umani di concentrarsi maggiormente sul lavoro creativo,-decisionale e di livello-superiore. Nell’era dell’Industria 4.0, i robot rappresentano il ponte tra tecnologia e produttività e la forza trainante fondamentale per la trasformazione della moderna industria manifatturiera.