Cinematica semplice per attività specialistiche
Robot cilindrici
I robot cilindrici, chiamati anche robot a colonna, si distinguono per un sistema cinematico basato principalmente sul movimento rotante intorno all'asse verticale e lineare sull'asse Z. Spesso dispongono anche di un ulteriore asse di estensione che consente di dosare, prelevare o posizionare con precisione componenti a breve distanza dalla colonna. Questa configurazione meccanica rende il robot cilindrico particolarmente adatto ad attività che richiedono rotazioni regolari e movimenti su e giù, soprattutto quando le postazioni di produzione sono disposte radialmente attorno all'asse di rotazione.
Perché considerare i robot cilindrici?
Struttura semplice e bassi costi di manutenzione: Un minor numero di giunti complessi e azionamenti più semplici riducono il numero di potenziali guasti e abbassano i costi di assistenza.
Facilità di integrazione: Grazie al numero limitato di movimenti (rotazione + verticale + eventuale estensione), un robot cilindrico può essere più facile da programmare e più rapido da implementare in applicazioni rotatorie ripetitive.
Risparmio di Spazio: La struttura a colonna occupa poco spazio sul piano orizzontale, un vantaggio nelle aree ristrette o nelle postazioni di lavoro disposte densamente.
Robot cilindrici (Cylindrical robots)
Struttura e principio di funzionamento
A differenza dei robot cartesiani o articolati, i robot cilindrici sono caratterizzati da una colonna verticale, ovvero l'asse Z, e dalla possibilità di ruotare attorno a questo asse. Molti progetti aggiungono anche un'estensione radiale, che consente a un utensile, come una pinza, di muoversi orizzontalmente.
Struttura meccanica
- Colonna (asse Z) La base del robot è costituita da una colonna verticale lungo la quale si muove un braccio o un carrello. Ciò consente il movimento verso l'alto e verso il basso e permette di prelevare o depositare componenti a diversi livelli.
- Asse di rotazione Solitamente posizionato alla base della colonna, consente al robot di ruotare sul piano orizzontale. Ciò permette a un singolo braccio robotico di servire diverse postazioni disposte attorno ad esso. Estensione / Raggio (opzionale)
- Estensione / Raggio (opzionale) Consente di spostare l'utensile, ad esempio una pinza o un sensore, più lontano dall'asse della colonna, aumentando il raggio d'azione orizzontale del robot. In alcune strutture può trattarsi di un ulteriore asse lineare o rotante.
Azionamento e controllo
- Motori passo-passo o servoazionamenti Controllano il movimento sull'asse rotazionale e sull'asse verticale Z. A seconda dei requisiti di precisione, vengono utilizzati motori passo-passo per un costo inferiore ma con precisione limitata oppure servomotori per maggiore precisione e dinamica.
- Controllori e Pannelli HMI I robot cilindrici possono essere gestiti mediante comuni controller PLC o controller dedicati del produttore. Il software è generalmente meno complesso rispetto a quello dei robot articolati, facilitando l'implementazione.
- Sensori e sistemi di sicurezza A seconda dell'applicazione è possibile integrare finecorsa, barriere fotoelettriche o sistemi di visione. Spesso, tuttavia, sono sufficienti soluzioni di sicurezza semplici se il robot lavora in una zona separata.
Modalità di Movimento
- Movimento cilindrico complesso Un robot cilindrico combina il movimento lineare sull'asse verticale con la rotazione attorno alla propria base. Questa combinazione consente di servire più postazioni di lavoro disposte intorno al robot, rendendolo adatto ai processi che richiedono flessibilità e ripetibilità.
- Manipolazione precisa Grazie alla possibilità di regolare l'estensione del braccio, il robot cilindrico può operare a diversi raggi rispetto all'asse principale. Ciò permette di adattare il movimento alle specificità del processo, dal semplice trasporto di componenti a compiti più precisi come confezionamento o assemblaggio.
- Numero limitato di assi: tipicamente 2-3 gradi di libertà, rotazione + verticale + raggio, rispetto a un massimo di 6 nei robot articolati.
- Facilità di manutenzione: un numero inferiore di punti di collegamento e giunti meccanici si traduce in meno elementi che richiedono manutenzione.
- Programmazione intuitiva: i movimenti definiti su un asse rotativo e un asse verticale, più eventualmente l'estensione, sono relativamente semplici da programmare.
Vantaggi principali
Principali vantaggi dei robot cilindrici
I robot cilindrici possono sembrare meno versatili dei robot articolati o cartesiani, ma presentano una serie di caratteristiche che li rendono molto interessanti in applicazioni specifiche:
- Struttura Compatta e Stabile La colonna principale occupa poco spazio in orizzontale. In questo modo il robot può essere posizionato vicino ad altre macchine senza sottrarre spazio prezioso nel capannone.
- Bassi costi operativi Un numero inferiore di giunti e una struttura meccanica semplificata riducono il numero di parti soggette a usura. Questo significa generalmente costi inferiori per assistenza e ricambi.
- Facilità d'Uso e Configurazione La cinematica semplice significa una curva di apprendimento più breve per operatori e ingegneri. Sistemi offline avanzati o simulazioni 3D spesso non sono necessari per programmare i movimenti di base di un robot cilindrico.
- Stabilità in Rotazione-Verticale Nelle attività che richiedono una rotazione regolare attorno al proprio asse e movimenti verticali, ad esempio dosaggio o prelievo di elementi da un tamburo, un robot cilindrico garantisce risultati altamente ripetibili.
Applicazioni nell'Industria
Robot cilindrici
Sebbene i robot cilindrici sembrino meno avanzati dal punto di vista cinematico rispetto ai loro equivalenti articolati o cartesiani, in alcuni processi risultano addirittura insostituibili. Di seguito presentiamo gli ambiti di utilizzo più frequenti:
Rotazione e dosaggio
Dosaggio rotativo dei liquidi
Quando il gruppo di dosaggio deve ruotare attorno a un asse centrale e muoversi verticalmente lungo Z, un robot cilindrico garantisce semplicità e ripetibilità del lavoro.
Applicazione automatica di sostanze
Vernici, adesivi, lubrificanti - dosaggio lungo l'asse verticale e rotazione per distribuire uniformemente il materiale sull'elemento rotante.
Macchine rotanti e tamburi
Prelievo di componenti da un contenitore
Nei processi in cui gli elementi sono disposti casualmente in un tamburo rotante, un robot cilindrico può ruotare sull'asse della colonna, spostarsi verticalmente ed estrarre efficacemente i componenti.
Smistamento radiale
Se le postazioni sono disposte attorno al robot, un robot a colonna può facilmente passare da un punto all'altro eseguendo movimenti rotatori e verticali.
Applicazioni di assemblaggio semplici
Disposizione degli elementi sull'asse verticale
Quando sono sufficienti un movimento preciso verso l'alto e verso il basso e una rotazione per inserire i componenti nelle sedi predisposte.
Serraggio di viti o dadi
Una rotazione limitata e la variazione dell'altezza possono essere sufficienti nei processi di assemblaggio uniformi, senza necessità di manovre complesse su più piani.
Assistenza macchine
Carico verticale
Un robot cilindrico può prelevare materie prime da una zona, sollevarle lungo l'asse Z, ruotare e quindi depositarle in una macchina di lavorazione o nella postazione successiva.
Carico e scarico
Grazie alla semplicità dei movimenti, collabora bene con macchine disposte in configurazione circolare o con un'area di lavoro ridotta, dove gli operatori desiderano automatizzare soltanto una determinata attività.
Controllo Qualità e Test
Posizionamento della telecamera o del sensore
La rotazione limitata e il movimento verticale possono essere sufficienti per l'ispezione sequenziale di diversi punti su un determinato componente.
Semplici test di pressione o serraggio
Quando sono fondamentali una forza di pressione ripetibile sull'asse Z e la possibilità di ruotare l'elemento di un determinato angolo.
Robot cilindrici
Settori in cui i Robot Cilindrici Sono Più Utilizzati
Grazie alla cinematica semplice e ai movimenti stabili in verticale e in rotazione, i robot cilindrici trovano applicazione in diversi settori industriali. Di seguito alcuni esempi di settori in cui questo tipo di robot è particolarmente apprezzato:
Prelievo di piccoli elementi da un tamburo e posizionamento su un nastro di assemblaggio.
Dosaggio della pasta saldante o posizionamento di piccoli componenti lungo l'asse verticale.
Trasferimento di prodotti da tamburi rotanti, ad esempio nei processi di confezionamento o smistamento.
Applicazione uniforme di additivi o condimenti con un movimento di dosaggio verticale.
Dosaggio di liquidi (ad es. profumi, creme, detergenti) con movimento rotazionale e verticale.
Prelievo e deposito di bottiglie o vasetti disposti intorno all'asse del robot.
Prelievo di fiale da magazzini circolari, dosaggio dei farmaci, chiusura ed etichettatura delle confezioni.
Controllo qualità mediante press-fitting o misurazione della forza di contatto.
Rimozione di componenti stampati a iniezione da una tavola rotante di formatura e loro posizionamento nell'area di raffreddamento.
Gestione di piccoli elementi nei processi pick & place, quando le postazioni sono disposte attorno all'asse di rotazione.
Manipolazione rotativa dei campioni, dosaggio dei reagenti sull'asse verticale.
Applicazioni di test che richiedono pressione ciclica o verifica della resistenza in un intervallo di movimento limitato.
Nei settori in cui sono importanti movimenti rotatori e verticali ripetitivi e il processo non richiede traiettorie complesse o portate elevate, i robot cilindrici funzionano particolarmente bene, riducendo i costi di automazione e accelerando l'implementazione di nuove linee di produzione.
Robot cilindrici
Requisiti tecnici e integrazione
I robot cilindrici, pur avendo una cinematica relativamente semplice, richiedono comunque un adeguato adattamento alle condizioni di lavoro e una corretta integrazione con la linea di produzione. Di seguito sono riportati gli aspetti principali da considerare prima dell'implementazione:
Parametri operativi
Intervallo di rotazione
Quale angolo di rotazione è necessario per servire gli elementi disposti attorno alla stazione? Alcuni modelli offrono una rotazione fino a 360°, mentre altri consentono rotazioni complete e multiple.
Capacità di carico e velocità
Sebbene i tipici robot cilindrici vengano utilizzati con carichi più piccoli, vale la pena verificare la capacità massima lungo l'asse verticale Z. È importante anche la velocità di rotazione consentita, per evitare vibrazioni durante cicli più rapidi.
Precisione e ripetibilità
In alcuni processi, ad esempio dosaggio e collaudo, è richiesta elevata precisione nell'impostazione dell'asse Z e dell'angolo di rotazione. Il parametro di ripetibilità viene generalmente indicato in millimetri o micrometri.
Integrazione con sistemi di controllo
PLC e protocollo di comunicazione
I robot cilindrici spesso utilizzano protocolli diffusi, ad esempio EtherCAT, Profinet e Modbus. Nelle applicazioni semplici è sufficiente un normale PLC che controlli l'asse Z e l'asse di rotazione.
Software e programmazione
Di solito i fornitori offrono un proprio ambiente per la creazione dei percorsi, anche se spesso è sufficiente una normale programmazione sequenziale nel PLC. Grazie al numero limitato di assi, la programmazione può essere molto intuitiva.
Sicurezza e sensori
Se non è prevista la presenza di persone nella zona di lavoro del robot, sono sufficienti recinzioni standard o barriere fotoelettriche. Nelle applicazioni più complesse, ad esempio con cambio utensili, vale la pena considerare sensori di posizionamento aggiuntivi o un sistema di visione.
Condizioni Ambientali
Temperatura e umidità
I robot cilindrici devono essere adattati alle condizioni dell'ambiente produttivo, come celle frigorifere nell'industria alimentare o livelli di umidità più elevati nei laboratori.
Polvere e Contaminazione
Se il processo genera polvere, trucioli o particelle metalliche, è necessario utilizzare protezioni e tenute adeguate (ad es. una classe IP adatta alle condizioni).
Compatibilità con Industria 4.0
Quando si collabora con sistemi IoT per raccogliere dati sul funzionamento del robot, verifica se il robot cilindrico può essere dotato di moduli di comunicazione per il monitoraggio e la diagnostica da remoto.
Robot cilindrici (Cylindrical robots)
Confronto con altri tipi di robot
I robot cilindrici sono dispositivi dalla struttura semplice ed efficiente, che consente il movimento in un sistema cilindrico, rotazione, movimento verticale ed estensione opzionale. Grazie al numero ridotto di assi, generalmente 2-3, sono particolarmente semplici da utilizzare, manutenere e programmare. Sono una soluzione adatta alle applicazioni che richiedono ripetibilità, precisione e prestazioni affidabili. Per comprenderne pienamente le possibilità e scegliere la tecnologia più adatta ai propri processi, vale la pena confrontarli con altri tipi di robot, come cartesiani, SCARA, articolati, Delta, cobot collaborativi o Gantry.
Robot Cilindrici vs. Cartesiani (XYZ)
Cinematica e raggio di movimento
I robot cilindrici combinano un movimento rotatorio attorno a un asse verticale con un movimento lineare lungo tale asse, Z, e spesso con un ulteriore asse di estensione radiale. I robot cartesiani, XYZ, operano lungo tre assi lineari, rendendo più semplici da definire i percorsi di movimento, ad esempio lungo X, Y e Z. I robot cilindrici possono essere più compatti attorno all'asse rotante, mentre i sistemi cartesiani occupano spesso più spazio sul piano ma offrono un movimento chiaro e ortogonale.
Applicazioni
I robot cilindrici vengono scelti quando i componenti o le postazioni sono disposti attorno a un asse di rotazione, ad esempio nelle macchine che servono una camera cilindrica oppure nelle applicazioni “preleva e ruota, quindi solleva (Z)”. I robot cartesiani (XYZ) sono particolarmente efficaci nei processi che richiedono spostamenti lunghi e rettilinei (ad esempio stampa 3D, fresatura, pick & place di precisione su un’ampia superficie).
Quando Sceglierlo?
Se hai bisogno di un robot semplice e affidabile per un movimento rotatorio attorno a un asse insieme a un movimento verticale Z, con postazioni disposte intorno ad esso, un robot cilindrico può essere una soluzione sufficiente ed economica. Se invece disponi di un'ampia area di lavoro X-Y e la ripetibilità nei movimenti lineari è fondamentale, un robot cartesiano XYZ sarà più versatile.
Robot cilindrici vs. SCARA
Struttura e dinamica
I robot SCARA possiedono due giunti rotanti sul piano orizzontale e un asse verticale rigido (Z), che garantiscono velocità e precisione molto elevate nelle attività di assemblaggio o pick & place. I robot cilindrici, pur potendo anch’essi ruotare attorno al proprio asse, generalmente non raggiungono una dinamica orizzontale così elevata e si concentrano sulla gestione di postazioni disposte intorno al robot e sul movimento verticale.
Applicazioni e vantaggi tipici
Gli SCARA eccellono nei rapidi trasferimenti di componenti e nell'assemblaggio di piccoli particolari, soprattutto in spazi limitati. I robot cilindrici sono invece adatti ad applicazioni in cui è sufficiente una cinematica meno complessa (rotazione + sbraccio + movimento verticale), ad esempio in semplici linee di dosaggio o nel carico di macchine, dove i componenti sono disposti intorno al robot. Gli SCARA richiedono generalmente una traiettoria sul piano progettata con precisione, ma offrono maggiore velocità e ripetibilità del ciclo.
Quando Sceglierlo?
Se la tua applicazione richiede tempi ciclo estremamente brevi e un lavoro principalmente su un piano (ad es. avvitamento di piccoli elementi, pick & place), SCARA sarà una scelta migliore. Se invece i componenti sono distribuiti intorno al robot e conta una semplice rotazione di un determinato angolo e il movimento sull'asse verticale (Z), un robot cilindrico può essere sufficiente e più economico da mantenere.
Robot Cilindrici vs. Articolati (a Braccio)
Gradi di libertà e campo di movimento
I robot articolati dispongono di 4-6 assi rotanti, che offrono notevole flessibilità e consentono traiettorie complesse su più piani. I robot cilindrici offrono principalmente una rotazione attorno al proprio asse e un movimento verticale lungo l'asse Z, talvolta con un raggio d'azione radiale aggiuntivo. Di conseguenza, il campo di movimento cilindrico è significativamente più limitato rispetto a quello dei robot articolati.
Applicazioni
I robot articolati, o a braccio, sono particolarmente adatti ad attività come saldatura, verniciatura, assemblaggio in diverse orientazioni e gestione di macchine CNC. I robot cilindrici, invece, sono efficaci quando sono sufficienti movimenti lungo l'asse verticale e una rotazione limitata, ad esempio per prelevare componenti da un tamburo rotante e trasferirli a una o due stazioni lungo la circonferenza.
Quando Sceglierlo?
Se hai bisogno di versatilità e capacità di lavorare in molte direzioni spaziali, un robot articolato è difficile da eguagliare. Se l'applicazione richiede soltanto movimento verticale e rotazione attorno alla base, un robot cilindrico può svolgere il compito in modo più semplice e meno costoso.
Robot Cilindrici vs. Delta
Cinematica e raggio di movimento
I robot Delta utilizzano una cinematica avanzata basata su tre o quattro bracci collegati a una piattaforma comune posizionata sopra l'area di lavoro. Questo permette loro di raggiungere velocità molto elevate nella movimentazione di piccoli componenti. I robot cilindrici eseguono un movimento rotatorio attorno all'asse verticale e possono spostarsi lungo l'asse Z, eventualmente con estensione radiale, per cui il loro campo di movimento è più limitato e la dinamica generalmente inferiore.
Applicazioni e Caratteristiche
I Delta eccellono nei cicli pick & place ultrarapidi, soprattutto con oggetti leggeri, ad esempio nei settori alimentare e farmaceutico. I robot cilindrici sono più adatti a compiti semplici: possono ruotare attorno al proprio asse, prelevare un elemento da una stazione e trasferirlo a un'altra, soprattutto quando le postazioni sono disposte in cerchio. Non raggiungono tuttavia le velocità e la precisione dinamica dei Delta.
Quando Sceglierlo?
Se la priorità è trasferire piccoli componenti a velocità estremamente elevate (centinaia di cicli al minuto), scegli un robot Delta. Se invece il processo è meno dinamico e richiede soltanto una rotazione verticale e un percorso semplice (ad es. su-giù) senza una cinematica complessa, un robot cilindrico sarà sufficiente e spesso meno costoso da utilizzare.
Robot Cilindrici vs. Cobot (Collaborativi)
Sicurezza e interazione con l'operatore
I cobot sono stati creati per collaborare direttamente con l'uomo, dall'inglese collaborative robots. Dispongono di sistemi di sicurezza avanzati integrati che rilevano le collisioni e consentono di lavorare fianco a fianco con l'operatore. I robot cilindrici sono costruzioni industriali classiche che, se operano con velocità o capacità di carico maggiori, richiedono generalmente recinzioni o barriere fotoelettriche.
Applicazioni
Nei compiti che richiedono interazione uomo-robot (ad es. assistenza all'assemblaggio, in cui il robot porge i componenti all'operatore), i cobot offrono un vantaggio grazie ai meccanismi di sicurezza integrati e alla possibilità di essere riprogrammati rapidamente. I robot cilindrici funzionano meglio con movimenti rotatori e verticali fissi e ripetitivi, senza necessità della presenza ravvicinata dell'uomo nella zona di lavoro.
Quando Sceglierlo?
Se è fondamentale poter lavorare in sicurezza con l'operatore e riconfigurare rapidamente la postazione per attività diverse, scegli i cobot. Se invece il processo richiede soltanto semplici movimenti assiali e rotazione e la postazione può essere separata, un robot cilindrico sarà una soluzione più semplice e spesso meno costosa.
Robot cilindrici vs. robot Gantry
Struttura e area di lavoro
I sistemi Gantry (a portale) si basano su più assi lineari, spesso su larga scala (ad es. movimento di un carroponte sopra l'intero stabilimento). Consentono il trasporto di elementi pesanti o di grandi dimensioni tra numerosi punti distribuiti su un'ampia superficie. Un robot cilindrico ha una struttura più compatta: una colonna con asse di rotazione e una guida (Z), ideale per applicazioni in cui le postazioni sono disposte circolarmente in un'area ridotta.
Applicazioni
I robot gantry operano su una scala nettamente maggiore e si trovano spesso nei magazzini a grande altezza, nell'industria siderurgica e nelle linee produttive che movimentano grandi carichi. I robot cilindrici sono generalmente più piccoli e destinati ad attività come prelevare un componente da un contenitore, ruotarlo a un angolo specificato, posizionarlo sull'asse verticale e trasferirlo alla stazione successiva.
Quando Sceglierlo?
Gantry è adatto dove sono necessari un lungo raggio d’azione e la movimentazione di elementi pesanti su un’area più ampia. Se invece vuoi automatizzare processi in una piccola area progettata attorno a un asse di rotazione, un robot cilindrico può essere sufficiente e incomparabilmente più semplice da installare.
I robot cilindrici offrono una cinematica semplice, adatta a compiti rotazionali e verticali in un'area limitata. Sono una soluzione economica e affidabile in molti processi di tipo "pick and place" disposti in configurazione circolare. Tuttavia, se la priorità è il pick & place ultrarapido, la collaborazione con l'operatore o la gestione di aree molto ampie, altri robot (Delta, Cobot, Gantry) possono risultare più efficienti. La scelta dipende sempre dalle caratteristiche specifiche del processo, dal campo di movimento e dai parametri di lavoro richiesti.
Domande frequenti
Domande Frequenti sui Robot Cilindrici
I modelli cilindrici sono generalmente destinati a carichi leggeri e medi, sebbene siano disponibili versioni con capacità di carico leggermente superiore. Se un'elevata capacità di carico è fondamentale, vale la pena considerare soluzioni Gantry o robot articolati rinforzati.
Dipende dagli azionamenti utilizzati, servo o passo-passo, e dai riduttori. Nella maggior parte dei casi è possibile ottenere una precisione dell'ordine dei centesimi di grado, più che sufficiente per applicazioni di dosaggio e assemblaggio.
Spesso sono sufficienti un controllore PLC e semplici sequenze di movimento, rotazione, spostamento sull'asse Z ed eventualmente estensione. Alcune aziende forniscono software proprietario con interfaccia grafica, tuttavia per operazioni semplici la programmazione può essere meno complessa rispetto, ad esempio, ai robot articolati.
La struttura a colonna consente un'installazione compatta. L'intero "corpo" del robot occupa generalmente poco spazio intorno all'asse, ma occorre considerare una zona di sicurezza se il robot ruota ad alta velocità.
Grazie al sistema meccanico semplificato, la manutenzione può essere abbastanza semplice. È necessario controllare periodicamente i cuscinetti dell'asse di rotazione, le guide dell'asse Z, lubrificare gli elementi e verificare la tenuta delle protezioni.
Sì, purché garantisca una rigidità sufficiente sull'asse Z e disponga di parametri di pressione programmati (che possono essere controllati, ad es., tramite un servomotore con sensore di coppia). Se sono necessari movimenti più complessi (ad es. su più piani), valuta un robot articolato.
Molti modelli consentono di aggiungere una pinza rotante o un utensile rotativo, ad esempio un avvitatore. In questo modo il robot acquisisce un asse aggiuntivo R, anche se non è uno standard in tutte le strutture.
Dipende dalla massa del carico, dal momento d'inerzia e dalla potenza degli azionamenti. Rispetto ai robot SCARA o Delta, i robot cilindrici non raggiungono velocità altrettanto elevate, ma sono generalmente sufficienti per le normali attività di pick & place, dosaggio e gestione delle macchine.
Sì, soprattutto quando vengono utilizzati protocolli di comunicazione comuni e controllori PLC. Spesso è sufficiente adattare il sistema di ingressi/uscite, I/O, ai segnali della linea e scrivere brevi sequenze di movimento.
I classici robot cilindrici sono normali robot industriali e spesso richiedono recinzioni di sicurezza. Se desideri la collaborazione con una persona nello stesso spazio, vale la pena considerare cobot dedicati, dotati di sistemi di sicurezza integrati, come sensori di forza e coppia, e progettati per l'interazione diretta.
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