Fattori da considerare per le prestazioni di movimento dei cavi VFD per la robotica

Quando si specificano i cavi per gli azionamenti a frequenza variabile (VFD) per la robotica industriale, è necessario considerare diversi fattori chiave per garantire una soluzione di dimensioni minime e della massima affidabilità. Non esiste una soluzione "taglia unica" e per determinare il cavo migliore per ogni applicazione è necessaria un'attenta analisi dei requisiti specifici del movimento.

Alcuni tipi di cavi sono adatti ai robot a cavalletto, mentre altri sono ideali nei robot articolati multiasse, in applicazioni pick-and-place o in altre soluzioni robotiche.

Le specifiche da considerare includono il raggio di curvatura minimo, la torsione massima, la struttura dei trefoli, il grado di flessione continua (in base al raggio di curvatura, alla distanza, all'accelerazione, alla velocità e al peso), i materiali dell'isolamento e della guaina e il livello di schermatura dalle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Questo articolo illustra alcune delle difficoltà legate alla scelta dei cavi per la robotica industriale e mostra come i cavi ÖLFLEX® VFD 1XL e VFD 1XL con segnale di LAPP, con una resistenza fino a due milioni di cicli di piegatura, siano adatti all'uso con molti tipi di robot, compresi i robot a cavalletto. Esamina anche le esigenze dei robot articolati multiasse con movimenti complessi di torsione e flessione che possono trarre vantaggio dall'uso dei cavi ÖLFLEX ROBOT F1.

L'articolo presenta poi brevemente ÖLFLEX SERVO FD 7DSL, un cavo ibrido realizzato con fili super sottili di Classe 6 e progettato per un massimo di 10 milioni di cicli di piegatura da utilizzare in applicazioni di robotica, come l'assemblaggio automatizzato e il pick-and-place. Si conclude esaminando l'importanza dei pressacavi per garantire l'affidabilità dei cavi e del movimento dei robot.

Principi base del movimento

La differenza fondamentale tra i cavi VFD per applicazioni industriali generiche e per la robotica industriale è la capacità di supportare un movimento rapido, ripetibile e preciso che può esercitare una forte sollecitazione sui cavi.

La maggior parte dei cavi VFD è classificata per un certo livello di flessibilità. Spesso ciò significa che possono essere piegati per facilitarne l'instradamento durante l'installazione e questo può essere utile per le applicazioni fisse, ma non è sufficiente per la robotica.

Tra i fattori che incidono sulla flessibilità dei cavi spiccano il tipo di isolamento, l'aggiunta di fascette o schermature, le dimensioni dei conduttori e la struttura dei trefoli. Ottenere un elevato numero di cicli di flessione richiede molta attenzione a ogni aspetto della costruzione del cavo, compreso il materiale della guaina che deve essere sottile e resistente all'abrasione.

Il raggio di curvatura del cavo è una specifica di base che indica quanto può piegarsi senza subire danni, ma non indica il numero di cicli di flessione che il cavo può sopportare. La comprensione del tipo di movimento che si verificherà è fondamentale per selezionare il cavo adeguato e garantire il ciclo di vita richiesto.

Il raggio di curvatura è un aspetto della flessione continua, una specifica importante per le applicazioni robotiche. La flessione torsionale è un altro tipo di flessibilità fondamentale in alcuni tipi di robot; in alcuni casi, il cavo può ruotare attorno al proprio asse di ±360° (Figura 1).

Figura 1: La flessione può essere utile nella maggior parte delle installazioni dei cavi industriali. La robotica industriale richiede capacità di flessione continua e torsionale. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

La flessione continua si riferisce al movimento ripetuto, lineare, avanti e indietro di un cavo, che si riscontra comunemente in applicazioni come apparecchiature automatizzate, robot a cavalletto o impianti su traccia. Questo tipo di flessione sottopone il cavo a un'abrasione e a una sollecitazione costanti, per questo deve poter resistere a un movimento continuo senza cedimenti.

I cavi progettati per la flessione torsionale possono sopportare una torsione costante. In un robot, il cavo può anche essere tirato avanti e indietro, combinando la flessione lineare continua con la flessione torsionale rotazionale. I cavi per applicazioni come i robot articolati multiasse, i robot di verniciatura industriale (in particolare nei loro effettori terminali) e i sistemi pick-and-place possono subire flessioni torsionali.

A differenza di molte altre aree del controllo dei processi industriali, non esiste una terminologia standardizzata per descrivere o quantificare i diversi livelli di flessibilità dei cavi. Ogni produttore deve sviluppare un proprio sistema di classificazione, solitamente basato su una serie di norme IEC, come IEC 60228, "Conduttori di cavi isolati".

La norma IEC 60228:2023 specifica le aree della sezione trasversale nominale dei conduttori nei cavi e nei cordoni elettrici di vari tipi e applicazioni e include anche i requisiti relativi al numero e alle dimensioni dei fili e ai valori di resistenza.

I conduttori sono suddivisi in classi in base alla loro flessibilità e costruzione, tra cui conduttori pieni (Classe 1), a trefoli (Classe 2), flessibili (Classe 5) e altamente flessibili (Classe 6).I conduttori più flessibili hanno un numero maggiore di fili sottili nei trefoli.

Oltre a fare riferimento a vari standard IEC, la metodologia di test di flessione continua di LAPP ha ottenuto la verifica UL sulla base di un audit dettagliato. Questo audit ha incluso requisiti per apparecchiature speciali calibrate, personale ben addestrato e documentazione controllata, il tutto in conformità con la norma ISO/IEC 17025, uno standard internazionale che stabilisce i requisiti per la competenza dei laboratori di prova e calibrazione.

LAPP definisce cinque livelli di prestazione per la flessione continua e due livelli di prestazione per i cavi a flessione torsionale (Tabella 1). LAPP ha inoltre definito tre livelli di flessibilità di curvatura per i cavi industriali di base e tre livelli di flessibilità torsionale per i cavi speciali utilizzati nelle turbine eoliche.

Tabella 1: Livelli di prestazione per flessione continua e torsionale definiti da LAPP. (Tabella per gentile concessione di LAPP)

Anche la leggerezza è un aspetto importante nella scelta dei cavi per la robotica. I robot industriali sono soggetti a rapide accelerazioni e frenate e i cavi leggeri riducono al minimo la quantità di massa, facilitando i movimenti rapidi e migliorando la capacità del cavo di resistere in modo affidabile ai rigori di milioni di cicli di curvatura e torsione.

Movimento robotico di base

Il cavo ÖLFLEX VFD 1XL di LAPP ha un indice di flessione continua CF-01, che lo rende adatto ad applicazioni come i robot a cavalletto. Questo tipo di cavo è resistente agli oli e ai raggi UV ed è schermato. L'isolamento in polietilene reticolato (XLPE) migliorato, noto anche come XLPE plus, possiede le proprietà meccaniche necessarie per la robotica e presenta un diametro esterno ridotto, che favorisce l'installazione in spazi ristretti pur mantenendo la flessibilità del cavo CF-01.

ÖLFLEX VFD 1XL è un buon esempio dell'importanza di realizzare cavi basati sulla flessibilità. I modelli di base, come 701703, con fili di rame stagnato, schermatura in nastro barriera e nastro in lamina a triplo strato (copertura 100%), oltre a una treccia di rame stagnato (copertura 85%), sono classificati per la flessibilità CF-01 con una durata nominale da 1 a 2 milioni di cicli e lunghezze fino a 4,5 metri.

L'aggiunta di una coppia di fili ciascuno schermato a lamina per il collegamento del segnale con un filo di continuità per cavo da passerella (TC) non isolato può semplificare le installazioni consentendo a un unico cavo di gestire sia l'alimentazione che il segnale, a scapito tuttavia di un indice di flessibilità inferiore. I cavi di segnale ÖLFLEX VFD 1XL hanno un indice di flessione FL-02, che li rende adatti ad applicazioni industriali generali.

Ad esempio, il modello ÖLFLEX VFD 1XL 701715 con segnale ha un indice di flessione FL-02 ed è altamente flessibile grazie alle sue "caratteristiche di progettazione a flessione continua". Tuttavia, non ha una durata nominale, il che lo rende inadatto alla maggior parte delle applicazioni robotiche (Figura 2).

Figura 2: Con l'aggiunta dei fili di segnale, questo cavo ÖLFLEX VFD 1XL ha un indice di flessione FL-02, adatto ad applicazioni industriali generali. Senza i fili di segnale, l'indice di flessione aumenta a CF-01, rendendolo ideale per le applicazioni robotiche di base. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Movimento robotico massimo

Per le applicazioni robotiche più impegnative, i progettisti possono affidarsi al cavo ÖLFLEX ROBOT F1, caratterizzato da un elevato grado di flessione torsionale, pari a TCF-01. Questo livello di flessibilità torsionale è disponibile sia nei modelli di base, come 0029591, sia nei modelli schermati, come 0029689. Entrambi sono dotati di fili di rame extra sottile, come specificato nella norma IEC 60228, e di isolante in elastomero termoplastico (TPE).

I cavi più piccoli, da 0,14 mm² a 0,5 mm², hanno fili di rame stagnato, mentre quelli ≥0,75 mm² hanno fili di rame nudo. La principale differenza di prestazioni è l'indice di torsione massima, pari a ±360° al metro per i cavi non schermati e ±180° al metro per i cavi schermati.

L'indice di torsione massima indica la quantità di torsione che il cavo può sopportare su una lunghezza di 1 metro senza subire danni. Cavi come questi, con un indice di flessione TCF-01, sono in grado di resistere al movimento continuo e alle elevate sollecitazioni dinamiche per oltre 10 milioni di cicli di torsione.

I cavi ÖLFLEX ROBOT F1 sono progettati specificamente per l'uso in applicazioni quali robot articolati multiasse, robot di saldatura e robot di verniciatura industriale. Ad esempio, i robot di verniciatura sono spesso progetti a sei assi che possono eseguire movimenti intricati che richiedono significativi livelli di torsione (Figura 3).

Figura 3: Robot di verniciatura industriale. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

Non tutti gli assi di un robot multiasse subiscono necessariamente lo stesso tipo o livello di flessione. A seconda del progetto, alcuni assi possono subire torsioni di ±360°, talvolta in direzioni opposte, mentre altri assi subiscono una flessione continua più lineare e una torsione minima o nulla. I cavi ÖLFLEX ROBOT F1 possono essere utilizzati in tutti gli scenari di movimento, ma sono particolarmente adatti per le applicazioni in cui si verificano sollecitazioni combinate di torsione e flessione, ad esempio nei collegamenti agli utensili degli effettori terminali.

Movimento robotico intermedio

I cavi ibridi a bassa capacità ÖLFLEX SERVO FD, come il modello 1023278, sono caratterizzati da trefoli extra sottili di rame nudo, ai sensi della norma IEC 60228, da una guaina esterna in poliuretano (PUR) e sono progettati per applicazioni altamente dinamiche nella catena di potenza. Sono adatti per applicazioni che richiedono un elevato numero di cicli e un livello intermedio di flessibilità, come alcuni progetti di robot a cavalletto e macchine di assemblaggio o pick-and-place.

Questi cavi sono classificati CF-04 per la flessione continua e sono progettati per applicazioni con cicli elevati e flessione continua, con lunghe tracce che supportano catene lunghe fino a 90 metri. Hanno una durata compresa tra 8 e 20 milioni di cicli. La coppia di segnali è adatta per le interfacce open-link Hiperface DSL e Single-Cable Solution (SCS). Sono in grado di sopportare le sollecitazioni dovute a un'accelerazione elevata.

Importanza della resistenza alla trazione

La protezione fornita dalla resistenza alla trazione è essenziale nelle applicazioni di robotica in cui i cavi sono sottoposti a notevoli sollecitazioni meccaniche. Inoltre, garantisce la longevità delle connessioni, impedendo il trasferimento di forze esterne alle connessioni interne, come i giunti di saldatura o i pin dei connettori.

La serie SKINTOP SL/SLR di LAPP è costituita da durevoli pressacavi con scarico della trazione, a tenuta di liquidi e facili da montare, progettati per le applicazioni di robotica. Ad esempio, il modello S2221 ha un intervallo di serraggio da 9 a 16 mm ed è adatto per cavi VFD di medio diametro (Figura 4).

Figura 4: I pressacavi di questo tipo consentono di ridurre la tensione dei cavi in applicazioni come la robotica industriale. (Immagine per gentile concessione di LAPP)

La boccola in neoprene dei pressacavi SKINTOP SL/SLR garantisce una tenuta ermetica a prova di liquidi e polvere con grado di protezione IP68. Il meccanismo di bloccaggio integrato include un cricchetto interno per una protezione a prova di vibrazioni.

Conclusione

Nella scelta dei cavi per la robotica è importante conoscere a fondo i requisiti di movimento. Il cavo subirà una flessione continua, simile a quella di un robot a cavalletto, una flessione torsionale, simile a quella di un robot di verniciatura industriale, o entrambe? E quanto dovrà flettersi? Ad esempio, alcuni robot articolati multiasse possono flettersi di ±360°, mentre altri richiedono solo una flessione di ±180°.

L'aggiunta di caratteristiche come i fili di segnale può ridurre l'indice di flessione di un cavo, come si vede nel caso del modello ÖLFLEX VFD 1XL rispetto a VFD 1XL con fili di segnale. Altri cavi, come ÖLFLEX SERVO FD, possono mantenere ottimi livelli di flessione continua anche con cavi di segnale integrati e soddisfare le esigenze dei robot pick-and-place e di assemblaggio. Infine, l'uso di pressacavi può garantire la resistenza alla trazione necessaria per proteggere sia i cavi sia i componenti elettronici collegati, oltre a fornire una maggiore protezione ambientale.

Letture consigliate:

1. Tipi di robot mobili autonomi e loro applicazioni
2. Come le PMI possono utilizzare un metaverso industriale per esplorare e implementare rapidamente soluzioni robotiche
3. Quali sono i fattori chiave utilizzati per classificare i robot industriali?
4. Come ottimizzare l'intralogistica per razionalizzare e velocizzare le supply chain dell'Impresa 4.0 - Parte 1 di 2
5. Quali sono gli aspetti da considerare nella valutazione della sicurezza dei cobot?
6. Integrare in modo sicuro ed efficiente gli AMR nelle operazioni per l'Impresa 4.0 per ricavare i massimi benefici