Illuminazione per la visione dei robot collaborativi: criteri di integrazione nelle celle cobot

I robot collaborativi — i cobot — sono progettati per lavorare a fianco degli operatori in spazi di lavoro condivisi. A differenza dei robot industriali tradizionali, chiusi in gabbie di sicurezza, i cobot operano in aree produttive aperte in cui la presenza umana è prevista e voluta.

I cobot guidati dalla visione impiegano telecamere e illuminazione per localizzare i pezzi, verificare le fasi di assemblaggio, guidare le pinze e ispezionare i componenti. Il sistema di illuminazione di una cella di visione con cobot deve soddisfare requisiti che non esistono nell’automazione fissa: sicurezza fotobiologica, form factor compatto, resistenza alle vibrazioni e compatibilità con configurazioni di montaggio flessibili.

Che cosa distingue la visione con cobot dall’automazione fissa

In una cella di automazione fissa l’illuminatore occupa una posizione definita rispetto al pezzo e alla telecamera. La geometria è stabilita in fase di messa in servizio e non cambia durante la produzione. Nessun operatore si trova nella zona di ispezione durante il normale funzionamento. L’illuminatore può essere dimensionato e specificato senza valutare l’effetto della luce sulle persone.

In una cella con cobot il quadro è diverso. Il braccio robotico può essere montato su base mobile o essere riposizionato tra una produzione e l’altra. Gli operatori lavorano accanto al cobot e possono attraversare regolarmente la zona di ispezione. L’illuminatore può essere fissato direttamente al braccio e muoversi con esso durante il funzionamento.

Queste differenze generano requisiti progettuali specifici da gestire nella scelta dell’illuminatore e nella progettazione della cella. Ignorarli può portare a problemi di sicurezza fotobiologica, a difficoltà di integrazione meccanica o a prestazioni di ispezione inaffidabili a causa delle vibrazioni dell’illuminatore durante il movimento del robot.

Sicurezza fotobiologica: la IEC 62471 negli spazi condivisi con le persone

La sicurezza fotobiologica riguarda la possibilità che la radiazione ottica — la luce — danneggi l’occhio o la pelle. La norma di riferimento è la IEC 62471, che definisce i gruppi di rischio delle sorgenti luminose in base alle loro caratteristiche di emissione.

In una cella di visione artificiale tradizionale la sicurezza fotobiologica non è una preoccupazione primaria, perché durante l’ispezione non sono presenti operatori. In una cella con cobot gli operatori restano nello spazio di lavoro in modo continuativo. Gli illuminatori devono essere valutati e classificati secondo la IEC 62471. Richiedono particolare attenzione gli illuminatori ad alta intensità nelle bande blu, UV o IR.

Classificazione dei gruppi di rischio e implicazioni pratiche

La IEC 62471 definisce quattro gruppi di rischio: esente, rischio basso (RG1), rischio moderato (RG2) e rischio elevato (RG3). Un illuminatore classificato RG2 o RG3 può richiedere misure di controllo aggiuntive quali schermature, segnaletica di avvertimento o zone ad accesso limitato, anche in una cella con cobot.

I progettisti di sistemi di visione per cobot dovrebbero verificare la classificazione IEC 62471 di ogni illuminatore destinato a uno spazio di lavoro condiviso. Gli illuminatori che operano nello spettro visibile a intensità moderata sono generalmente classificati come esenti o RG1. Gli illuminatori stroboscopici che emettono a elevate intensità di picco richiedono una valutazione a parte dell’effetto stroboscopico sugli operatori.

Gli illuminatori RODER Vision destinati alle applicazioni cobot sono disponibili con ottiche che limitano l’apertura angolare del fascio emesso. Concentrare la luce sul bersaglio di ispezione riduce l’illuminazione dispersa nello spazio di lavoro circostante e abbassa l’esposizione fotobiologica degli operatori nelle vicinanze.

Illuminatori compatti e leggeri per l’integrazione a bordo robot

Quando un illuminatore è montato sull’end effector di un braccio robotico, il suo peso e le sue dimensioni incidono direttamente sulle prestazioni dinamiche del braccio. Ogni grammo aggiunto all’end effector sottrae carico utile disponibile per la pinza e per il pezzo manipolato. Illuminatori ingombranti allungano lo sbraccio dell’end effector e aumentano il braccio di leva, riducendo ulteriormente il carico utile effettivo.

Per le applicazioni a bordo robot si preferiscono illuminatori compatti ad alta efficienza luminosa. Un’efficienza elevata significa più luce emessa per watt assorbito, quindi un illuminatore fisicamente più piccolo può produrre la stessa emissione fotometrica di un’unità più grande e meno efficiente.

La tecnologia a matrice LED densa di RODER Vision concentra un’elevata densità di emettitori su una superficie ridotta, producendo un’elevata luminanza da un form factor compatto. Il risultato è un illuminatore abbastanza piccolo da essere integrato sulla maggior parte degli end effector per cobot senza penalizzare in modo significativo il carico utile.

Montaggio e gestione dei cavi sui bracci cobot

La gestione dei cavi è una difficoltà pratica rilevante nell’integrazione degli illuminatori a bordo robot. Il cavo dell’illuminatore deve seguire il movimento del braccio senza creare punti di impigliamento né cedimenti per fatica in corrispondenza del connettore. Catene portacavi, guaine a spirale e sistemi antistrappo sono le soluzioni standard. Il connettore dell’illuminatore deve essere idoneo ai cicli di flessione e alle condizioni ambientali dell’applicazione.

Gli illuminatori RODER Vision impiegano connettori circolari M8 e M12 con meccanismi di bloccaggio resistenti alle vibrazioni. Questi connettori sono idonei a cicli di accoppiamento ripetuti e sono compatibili con le catene portacavi standard impiegate sui bracci robotici.

Resistenza alle vibrazioni: affidabilità dell’illuminatore sotto il movimento del robot

Un braccio robotico in movimento genera vibrazioni. L’accelerazione e la decelerazione del braccio durante i cicli di pick-and-place sottopongono l’end effector e i componenti a esso fissati a urti meccanici. Un illuminatore montato sull’end effector deve sopportare questi carichi senza cedimenti meccanici né degrado delle prestazioni ottiche.

I guasti da vibrazione negli illuminatori si verificano di norma alle saldature dei LED, all’interfaccia LED-dissipatore o al connettore. Gli illuminatori RODER Vision sono realizzati con un approccio di incollaggio termico che conferisce anche rigidità meccanica all’interfaccia LED-substrato. Il tipo di connettore e la configurazione di montaggio sono progettati per resistere all’allentamento da vibrazione.

Per applicazioni con carichi dinamici particolarmente elevati, si consiglia di consultare il team applicativo di RODER Vision per confermare che la configurazione di illuminatore scelta sia adatta al profilo di movimento del robot e alle condizioni di carico.

Produzione flessibile: sistemi di illuminatori a cambio rapido

Uno dei principali vantaggi dei robot collaborativi è la rapidità con cui possono essere riconvertiti da un compito produttivo a un altro. Un cobot che al mattino ispeziona i contatti dei connettori può essere riposizionato nel pomeriggio per verificare il posizionamento delle etichette. Questa flessibilità richiede sistemi di visione e illuminazione riconfigurabili rapidamente.

I sistemi di end effector a cambio rapido, disponibili presso diversi fornitori, consentono di sostituire l’intero end effector — telecamera e illuminatore compresi — in pochi minuti e senza attrezzi. L’illuminatore deve essere compatibile con l’interfaccia a cambio rapido sia nel montaggio meccanico sia nel collegamento elettrico.

Gli illuminatori RODER Vision sono disponibili con flange di montaggio e configurazioni di connettore personalizzate che ne consentono l’integrazione nei sistemi di end effector a cambio rapido. I connettori standard M8 e M12 permettono scollegamenti e ricollegamenti rapidi senza attrezzi specialistici né terminazioni di cavo.

Geometria di illuminazione per le ispezioni con cobot

Le applicazioni di visione con cobot coprono un’ampia gamma di ispezioni. La localizzazione del pezzo per la guida della pinza richiede di norma un’illuminazione costante e uniforme su tutto il campo visivo. La verifica dell’assemblaggio richiede contrasto sufficiente a distinguere gli stati corretti da quelli errati dei componenti. L’ispezione superficiale richiede un’illuminazione dipendente dall’angolo per rivelare texture e difetti.

Gli illuminatori anulari sono frequentemente impiegati nelle configurazioni a bordo robot perché forniscono un’illuminazione coassiale o quasi coassiale rispetto all’asse della telecamera. La geometria circolare produce un’illuminazione uniforme sui pezzi centrati nel campo visivo. Per la verifica dell’assemblaggio, un illuminatore a matrice montato a una distanza fissa dalla telecamera fornisce un’illuminazione ampia e diffusa che contiene i riflessi speculari dalle superfici dei componenti.

La geometria di illuminazione va definita nella progettazione iniziale del sistema e validata sui pezzi reali prima della messa in servizio della cella con cobot. Modifiche alla geometria di illuminazione dopo la messa in servizio comportano la riconfigurazione dell’algoritmo di visione e possono incidere sulla taratura del robot se cambia la relazione telecamera-pezzo.

Integrazione con i controllori dei cobot e il software di visione

I sistemi di visione per cobot sincronizzano di norma il trigger dell’illuminatore con l’otturatore della telecamera. L’illuminatore si accende per la durata dell’esposizione. Questa sincronizzazione è gestita dal controllore della telecamera, dal controllore del robot o da un’unità di elaborazione di visione dedicata.

Gli illuminatori RODER Vision supportano sia il funzionamento continuo sia la modalità stroboscopica con trigger. In modalità stroboscopica un segnale di ingresso digitale attiva un impulso luminoso definito, con durata e intensità impostate tramite l’elettronica di pilotaggio. Ciò consente di inserire l’illuminatore nel sistema di I/O del robot mediante segnali digitali PNP o NPN standard, senza hardware di interfaccia aggiuntivo.

Per un’integrazione più avanzata, le varianti di driver compatibili IO-Link consentono di configurare e monitorare l’illuminatore da remoto attraverso la porta master IO-Link del controllore del robot. Ciò semplifica il cablaggio e permette di regolare a distanza i parametri di illuminazione durante i cambi ricetta, senza accesso fisico all’illuminatore.

Prodotti e tecnologie

Le famiglie di illuminatori RODER Vision per l’integrazione con i cobot

Le famiglie RODER Vision elencate di seguito sono le più adatte alle applicazioni di visione con robot collaborativi. Tutte offrono dimensioni compatte, costruzione resistente alle vibrazioni e opzioni di connettività flessibili.

Domande frequenti