Consideraciones sobre el rendimiento del movimiento al seleccionar cables VFD para robótica

A la hora de especificar cables para variadores de frecuencia (VFD) para robótica industrial, hay que tener en cuenta varios factores clave para garantizar una solución de tamaño mínimo y máxima fiabilidad. No existe una solución única para todos los casos, por lo que es necesario un análisis minucioso de los requisitos específicos de movimiento para determinar cuál es el mejor cable para cada aplicación.

Algunos tipos de cables son adecuados para robots de pórtico, mientras que otros destacan en robots articulados multieje, aplicaciones pick-and-place (tomar y colocar) u otras soluciones robóticas.

Entre las especificaciones que hay que tener en cuenta figuran el radio de curvatura mínimo, la torsión máxima, el trenzado del cable, la capacidad de flexión continua (en función del radio de curvatura, la distancia, la aceleración, la velocidad y el peso), los materiales de aislamiento y revestimiento, y el nivel de blindaje frente a interferencias electromagnéticas (EMI).

Este artículo detalla algunas de las sutilezas a la hora de especificar cables para robótica industrial y muestra cómo los cables ÖLFLEX® VFD 1XL y VFD 1XL con señal de LAPP, con una capacidad nominal de hasta dos millones de ciclos de flexión, son adecuados para su uso con una amplia gama de diseños de robots, incluidos los robots de pórtico. A continuación, revisa las exigencias de los robots articulados multieje con movimientos complejos de torsión y flexión que pueden beneficiarse del uso de cables ÖLFLEX ROBOT F1.

El artículo presenta brevemente el ÖLFLEX SERVO FD 7DSL, un cable híbrido fabricado con hilo extrafino de clase 6 y diseñado para soportar hasta 10 millones de ciclos de curvatura en aplicaciones robóticas, como el montaje automatizado y el pick-and-place. Concluye examinando la importancia de los prensaestopas para garantizar la fiabilidad del movimiento de cables y robots.

Conceptos básicos del movimiento

La diferencia clave entre los cables VFD para aplicaciones industriales generales y la robótica industrial es la capacidad de soportar movimientos rápidos, repetibles y precisos. Eso puede someter a los cables a mucha tensión.

La mayoría de los cables para variadores de frecuencia tienen un cierto nivel de flexibilidad. A menudo, eso significa que pueden doblarse para facilitar el tendido del cable durante la instalación. Esto puede ser útil en aplicaciones fijas, pero no es suficiente para la robótica.

Los factores que influyen en la flexibilidad del cable son el tipo de aislamiento, la adición de envolturas o blindajes, el tamaño del conductor y la estructura del trenzado, entre otros. Lograr un elevado número de ciclos de flexión requiere una cuidadosa atención a todos los aspectos de la construcción del cable, incluido un material de cubierta que sea fino y resistente a la abrasión.

El radio de curvatura del cable es una especificación básica que indica hasta qué punto puede doblarse sin dañarse, pero no indica el número de ciclos de flexión que puede soportar. Comprender el tipo de movimiento que se experimentará es crucial para seleccionar el cable adecuado y garantizar el ciclo de vida requerido.

El radio de curvatura es un aspecto de la flexión continua, también llamada flexión por rodadura, que constituye una especificación importante para las aplicaciones robóticas. La flexión torsional es otro tipo de flexibilidad crucial en ciertos tipos de robots; en algunos casos, el cable puede girar alrededor de su eje ±360° (Figura 1).

Figura 1: La flexión puede ser beneficiosa en la mayoría de las instalaciones de cables industriales. La robótica industrial requiere flexión continua y torsión. (Fuente de la imagen: LAPP)

La flexión continua se refiere al movimiento repetido, lineal y de vaivén de un cable, habitual en aplicaciones como equipos automatizados, robots de pórtico o sistemas de cadenas portacables. Este tipo de flexión somete al cable a una abrasión y tensión constantes, exigiéndole que soporte movimientos continuos sin fallar.

Los cables diseñados para la flexión torsional pueden soportar una torsión constante. En un robot, también se puede tirar del cable hacia delante y hacia atrás, combinando la flexión lineal continua con la flexión rotacional de torsión. Los cables de aplicaciones como los robots articulados multieje, los robots de pintura industrial (especialmente en sus efectores finales) y los sistemas de pick-and-place pueden experimentar flexión torsional.

A diferencia de muchas otras áreas del control de procesos industriales, no existe una terminología normalizada para describir o cuantificar los distintos tipos de flexibilidad de los cables. Cada fabricante debe desarrollar su propio sistema de clasificación, normalmente basado en una serie de normas IEC, como la IEC 60228, "Conductores de cables aislados".

La norma IEC 60228:2023 especifica las áreas nominales de la sección transversal de los conductores en cables y cordones eléctricos de diversos tipos y aplicaciones. También se incluyen los requisitos relativos al número y tamaño de los hilos, así como los valores de resistencia.

Clasifica los conductores en clases en función de su flexibilidad y construcción, incluidos los conductores sólidos (Clase 1), trenzados (Clase 2), flexibles (Clase 5) y muy flexibles (Clase 6). Los conductores más flexibles tienen un mayor número de hilos más finos dentro de los filamentos.

Además de hacer referencia a varias normas IEC, la metodología de ensayo de flexión continua de LAPP ha obtenido la verificación UL basada en una auditoría detallada. La auditoría incluyó requisitos de equipos especiales calibrados, personal bien formado y documentación controlada, todo ello de conformidad con la norma ISO/IEC 17025, una norma internacional que establece los requisitos de competencia de los laboratorios de ensayo y calibración.

El LAPP define una serie de cinco niveles de prestaciones para la flexión continua y dos niveles de prestaciones para los cables de flexión torsional (cuadro 1). LAPP también ha definido tres niveles de flexibilidad a la flexión para los cables industriales básicos y tres niveles de flexibilidad a la torsión para los cables especiales utilizados en aerogeneradores.

Tabla 1: Niveles de rendimiento de flexión continua y flexión torsional definidos por LAPP. (Fuente de la tabla: Lapp)

La ligereza también es un factor importante a la hora de seleccionar cables para robótica. Los robots industriales experimentan aceleraciones y frenadas rápidas, y los cables ligeros minimizan la cantidad de masa, lo que facilita los movimientos rápidos y mejora la capacidad del cable para soportar con fiabilidad los rigores de millones de ciclos de flexión y torsión.

Movimiento básico del robot

El cable LAPP ÖLFLEX VFD 1XL presenta una clasificación de flexión continua CF-01, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como robots de pórtico. Estos cables son resistentes al aceite y a los rayos UV, además de estar protegidos. El aislamiento mejorado de polietileno reticulado (XLPE), también conocido como XLPE plus, posee las propiedades mecánicas necesarias para la robótica y presenta un diámetro exterior reducido, que permite su instalación en espacios reducidos manteniendo la flexibilidad CF-01.

El ÖLFLEX VFD 1XL es un buen ejemplo de la importancia de la construcción del cable en la flexibilidad. Los modelos básicos como el 701703 con hilos finos de cobre estañado, blindaje consistente en cinta de barrera y cinta de lámina de triple capa (100% de cobertura), más una trenza de cobre estañado (85% de cobertura) están clasificados para la flexibilidad CF-01 con un rango de vida útil de 1 a 2 millones de ciclos y longitudes de cadena de hasta 15 pies.

La incorporación de un par de hilos blindados individualmente para una conexión de señal con un hilo de drenaje de cable de bandeja sin aislamiento (TC) puede simplificar las instalaciones al permitir que un solo cable gestione tanto la alimentación como la señal, pero a expensas de un menor índice de flexibilidad. Los ÖLFLEX VFD 1XL con cables de señal tienen un índice de flexibilidad FL-02, por lo que son adecuados para aplicaciones industriales generales.

Por ejemplo, el modelo 701715 ÖLFLEX VFD 1XL con señal tiene una clasificación FL-02 y es altamente flexible debido a sus "atributos de diseño de flexión continua". Sin embargo, carece de un ciclo de vida nominal, lo que lo hace inadecuado para la mayoría de las aplicaciones robóticas (Figura 2).

Figura 2: Con los hilos de señal agregados, este cable ÖLFLEX VFD 1XL tiene un índice de flexibilidad FL-02, adecuado para aplicaciones industriales generales. Sin los hilos de señal, la clasificación de flexibilidad aumenta a CF-01, lo que hace que el cable sea ideal para aplicaciones robóticas básicas. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Movimiento máximo del robot

Para las aplicaciones robóticas más exigentes, los diseñadores pueden confiar en el cable ÖLFLEX ROBOT F1, que presenta un alto índice de flexión torsional TCF-01. Este nivel de flexibilidad torsional se consigue tanto en los modelos básicos, como el 0029591, como en los modelos blindados, como el 0029689. Ambos tienen hilos de cobre extrafinos, como se especifica en la norma IEC 60228, y aislamiento de elastómero termoplástico (TPE).

Los cables más pequeños de 0.14 mm² a 0.5 mm² tienen hilos de cobre estañado, mientras que los de ≥0.75 mm² tienen hilos de cobre desnudo. La principal diferencia de rendimiento es la capacidad de torsión máxima, que es de ±360° por metro para los cables sin apantallar y de ±180° por metro para los cables apantallados.

El índice de torsión máxima indica la cantidad de torsión que puede soportar el cable en una longitud de 1 metro sin sufrir daños. Este tipo de cables, con un índice de flexibilidad TCF-01, pueden soportar movimientos continuos y grandes esfuerzos dinámicos durante más de 10 millones de ciclos de torsión.

Los cables ÖLFLEX ROBOT F1 están diseñados específicamente para su uso en aplicaciones como robots articulados multieje, robots de soldadura y robots industriales de pulverización de pintura. Por ejemplo, los robots de pintura son a menudo diseños de seis ejes que pueden ejecutar movimientos intrincados que requieren niveles significativos de torsión (Figura 3).

Figura 3: Robots industriales de pintura. (Fuente de la imagen: LAPP)

No todos los ejes de un robot multieje experimentan necesariamente el mismo tipo o nivel de flexión. Dependiendo del diseño, algunos ejes pueden experimentar una torsión de ±360°, a veces en direcciones opuestas, mientras que otros ejes experimentan una flexión continua más lineal y poca o ninguna torsión. Los cables ÖLFLEX ROBOT F1 pueden utilizarse en todos los escenarios de movimiento, pero son especialmente adecuados para aplicaciones en las que se producen esfuerzos combinados de torsión y flexión, como las conexiones a herramientas de efector final.

Movimiento intermedio del robot

Los servocables híbridos ÖLFLEX SERVO FD de baja capacitancia, como el modelo 1023278, presentan hebras extrafinas de cobre desnudo, tal como se define en la norma IEC 60228, un revestimiento exterior de poliuretano (PUR) y están diseñados para aplicaciones de cadenas portacables altamente dinámicas. Son adecuados para aplicaciones que requieren ciclos de vida elevados y un nivel intermedio de flexibilidad, como algunos diseños de robots de pórtico y máquinas de ensamblaje o "pick and place".

Estos cables están clasificados CF-04 para flexión continua y están diseñados para aplicaciones de flexión continua de alto ciclo con largas cadenas portacables que soportan longitudes de cadena de hasta 300 pies. Tienen una vida útil de 8 a 20 millones de ciclos. El par de señales es adecuado para interfaces de enlace abierto Hiperface DSL y de solución de cable único (SCS). Soportan el estrés de la alta aceleración.

Importancia de la descarga de tracción

La protección que proporciona la descarga de tracción es esencial en aplicaciones robóticas en las que los cables sufren importantes tensiones mecánicas. También garantiza la longevidad de las conexiones de los cables al evitar la transferencia de fuerzas externas a las conexiones internas, como las juntas de soldadura o las patillas de los conectores. 

La serie SKINTOP SL/SLR de LAPP son prensaestopas de alivio de tensión duraderos, estancos a líquidos y fáciles de montar, diseñados para aplicaciones robóticas. Por ejemplo, la S2221 tiene un rango de sujeción de 9 a 16 mm y es adecuada para cables VFD de diámetro medio (Figura 4).

Figura 4: Los prensaestopas como este alivian la tensión de los cables en aplicaciones como la robótica industrial. (Fuente de la imagen: LAPP)

El casquillo de neopreno de los prensaestopas SKINTOP SL/SLR proporciona un cierre hermético a prueba de líquidos y polvo con clasificación IP68. El mecanismo de bloqueo integrado superior incluye un trinquete interno para brindar protección a prueba de vibraciones

Conclusión

Es importante comprender los requisitos de movimiento a la hora de seleccionar cables para robótica. ¿Experimentará el cable una flexión continua, similar a la de un robot de pórtico, una flexión torsional, similar a la de un robot de pintura industrial, o ambas? ¿Y cuánta flexión? Por ejemplo, algunos robots articulados multieje pueden flexionar ±360°, mientras que otros sólo requieren ±180° de flexión.

La incorporación de elementos como hilos de señalización puede reducir el índice de flexibilidad de un cable, como se observa con ÖLFLEX VFD 1XL frente a VFD 1XL con hilos de señalización. Otros cables, como el ÖLFLEX SERVO FD, pueden mantener muy buenos niveles de flexión continua incluso con cables de señal integrados y satisfacer las necesidades de los robots de recogida y colocación y de montaje. Por último, el uso de prensaestopas puede proporcionar el alivio de tensión necesario para proteger tanto los cables como los componentes electrónicos conectados, así como una mayor protección medioambiental.

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