Optimisation de l'assemblage : étude comparative de quatre techniques de pick-and-place par robots industriels

Comparaison de quatre techniques de pick-and-place robotisées pour l'assemblage

Dans le paysage industriel actuel, l'automatisation joue un rôle clé dans la réduction des besoins et coûts de main-d'œuvre, tout en améliorant la productivité et l'efficacité manufacturière dans la plupart des secteurs. Parmi les nombreuses techniques d'automatisation à la disposition des ingénieurs, les opérations de pick-and-place par robots industriels se distinguent comme des technologies cruciales dans les processus de fabrication et de logistique pouvant être automatisés, réduisant ainsi la demande de main-d'œuvre. Ces opérations impliquent le déplacement d'objets ou de pièces d'un emplacement à un autre, nécessitant souvent précision et rapidité. Cette analyse compare quatre techniques majeures : les alimentateurs flexibles, le bin picking 4D, les bols vibrants et le suivi de ligne de convoyeur.

1. Alimentateurs flexibles

Les alimentateurs flexibles utilisent divers mécanismes (pneumatiques, vibrants ou robotiques) pour présenter les pièces à un système de vision artificielle en vue d'opérations robotisées de pick-and-place. Ces alimentateurs s'adaptent à différentes formes et tailles de composants, ce qui les rend polyvalents dans les environnements de fabrication aux gammes de produits variées. L'un de leurs atouts majeurs est la capacité à manipuler des objets de forme irrégulière et des pièces aux géométries complexes. Toutefois, les pièces ne peuvent pas dépasser un tiers de la largeur du plateau d'alimentation, afin de laisser de l'espace pour la singularisation et la localisation par vision artificielle. Généralement, les pièces doivent mesurer entre 1 mm et 100 mm dans leur plus grande dimension et peser moins de 1 kg (2,2 lb) chacune.

Au-delà des limites dimensionnelles, les alimentateurs flexibles présentent d'autres contraintes potentielles. Ils peuvent être plus lents que d'autres techniques de prélèvement, notamment pour des pièces complexes nécessitant une orientation précise. De plus, la configuration et l'étalonnage initiaux peuvent être longs et requièrent du personnel qualifié en robotique et vision. Les pièces doivent être rigides ; les pièces molles ou caoutchouteuses ne réagissent pas aux vibrations ou oscillations nécessaires à la singularisation.

La clé d'une application réussie réside dans la sélection, l'étalonnage et l'intégration appropriés du système de vision qui identifie, qualifie et localise la pièce à prélever, transmettant ses coordonnées et sa rotation au contrôleur robot. Viennent s'ajouter le choix de l'éclairage (éclairage supérieur ou par transparence), la conception du plateau d'alimentation et l'extension du temps de fonctionnement sans surveillance par des options d'alimentation en vrac. Ensuite, le robot doit être programmé pour se déplacer vers la pièce et la saisir avec un préhenseur adapté. Une fois saisie, la pièce est placée dans un dispositif ou un logement sur mesure pour un traitement ou un assemblage ultérieur. L'ensemble de l'opération permet le prélèvement, l'orientation et le placement de 10 à 30 pièces par minute.

2. Bin picking 4D

Le bin picking 4D fait appel à des systèmes de vision avancés, incluant l'intelligence artificielle (IA) et la robotique intégrée, pour identifier et prélever des objets dans un bac ou un conteneur dans les trois dimensions (largeur X, longueur Y, hauteur Z) plus l'intensité lumineuse. Cette technique est hautement efficace pour la manipulation de matériaux en vrac et d'orientations de pièces aléatoires et chevauchantes, même dans des bacs profonds. Grâce à des capteurs de vision et des algorithmes sophistiqués, les systèmes de bin picking 4D peuvent localiser et saisir avec précision des objets, même dans des environnements encombrés et à éclairage très variable.

L'un des principaux défis est la complexité computationnelle du traitement en temps réel de grandes quantités de données visuelles. C'est là qu'intervient l'IA (apprentissage massif des orientations de pièces et possibilités d'éclairage), ainsi que des puces de traitement mathématique avancées dans le serveur d'application. Obtenir une reconnaissance d'objets fiable dans diverses conditions d'éclairage et une génération en temps réel d'algorithmes de planification de préhension exige des ressources computationnelles et une expertise significatives. Pour les systèmes de bin picking 4D, le coût réside dans le calcul GPU haut de gamme plutôt que dans les caméras.

Le bin picking 4D est une excellente technique pour des cadences modérées. Cette approche résout souvent le cas de pièces irrégulières ou plus grandes où un alimentateur flexible serait moins efficace, voire impossible. Des pièces plus longues peuvent se chevaucher façon « mikado », mais la vision discerne le meilleur candidat à prélever et dirige le robot à la pose appropriée pour prélever et placer la pièce à un rythme rapide de 10 à 30 pièces par minute.

3. Bols vibrants

Les bols vibrants utilisent des vibrations dans un bol précisément usiné, muni d'une piste guidant les pièces, pour les orienter et les acheminer vers un robot en vue d'opérations de pick-and-place. Ces bols sont particulièrement efficaces pour des composants de petite à moyenne taille facilement manipulables par forces vibratoires. Ils sont réputés pour leur rapidité et leur fiabilité dans le maintien de l'orientation des pièces pendant l'alimentation. Des photodétecteurs et des soufflages d'air détectent les pièces mal orientées et les « soufflent » hors de la piste ou les évacuent par des ouvertures stratégiques.

Malgré leur efficacité, les bols vibrants ont des limites, notamment pour des pièces délicates ou sensibles susceptibles d'être endommagées par des vibrations excessives. De plus, la conception et la personnalisation des bols pour différentes géométries de pièces peuvent être complexes et requièrent une expertise d'ingénierie et d'artisanat spécialisée. En cas de changements fréquents de produits finis nécessitant différentes pièces pour l'assemblage, un bol unique doit être conçu pour ces pièces et tous les bols doivent être remplacés et recalibrés. Cette opération coûteuse et chronophage rend les bols vibrants plus adaptés aux cadences de production élevées pour des produits fixes, avec des volumes de centaines de milliers ou millions de pièces par an. Les bols vibrants peuvent placer des pièces pour prélèvement à un rythme de 60 à 200 pièces par minute, le prélèvement étant généralement assuré par de l'« automatisme dur » dédié, ce rythme dépassant les capacités de la plupart des bras robotiques.

4. Suivi de ligne de convoyeur

Le suivi de ligne de convoyeur consiste à synchroniser le mouvement d'un robot avec un convoyeur à bande en mouvement pour prélever et placer des objets au fur et à mesure de leur progression sur la ligne de production. Cette technique est courante dans les environnements de fabrication à haut volume où le fonctionnement continu et le débit rapide sont essentiels. En suivant la ligne de convoyeur, les robots (généralement des robots « delta » de fabricants comme Fanuc et ABB) peuvent se positionner avec précision pour prélever les pièces dès qu'elles sont disponibles.

L'un des atouts majeurs est l'évolutivité et l'efficacité dans la gestion de grands volumes de pièces avec un temps d'arrêt minimal. Cette technique est prisée pour l'emballage de produits alimentaires (produits de boulangerie, snacks emballés, vêtements emballés). Des cadences allant jusqu'à 120 pièces par minute sont atteignables avec un robot delta. Cependant, cette technique peut ne pas convenir aux applications nécessitant une orientation précise des pièces ou manipulant des objets de forme irrégulière. Le robot delta typique à 4 axes opère dans un seul plan, avec peu de mouvement vertical (« Z »), et convient donc mieux au prélèvement d'objets plats pour les transférer vers une ligne d'emballage. Il existe toutefois des versions hybrides avec un poignet et préhenseur à 3 axes ajoutés au delta à 4 axes, comme le Fanuc M-1iA.

Synthèse

Chaque technique de pick-and-place robotisée offre des avantages et des limites distincts selon les exigences spécifiques de l'application. Les alimentateurs flexibles excellent en polyvalence, mais peuvent manquer de vitesse et de précision pour certaines tâches. Le bin picking 4D est idéal pour la manipulation de matériaux en vrac, mais exige des ressources computationnelles importantes. Les bols vibrants offrent une grande vitesse, mais ne conviennent pas aux pièces délicates. Le suivi de convoyeur assure un fonctionnement continu, mais peut manquer de précision pour certaines applications. En définitive, les fabricants doivent évaluer soigneusement leurs besoins et choisir la technique qui s'aligne le mieux avec leurs objectifs et contraintes de production.

Futura Automation fournit des composants ou des solutions complètes dans chaque catégorie de prélèvement et placement pour applications d'assemblage. Futura Automation est le représentant USA pour les alimentateurs flexibles Flexfactory et distributeur agréé Fanuc et Brooks Automation pour systèmes complets. Pour les composants vision : Cognex avec notre logiciel propriétaire Feedware CX pour une intégration aisée, Fanuc IR Vision ou systèmes vision Keyence sont disponibles et intégrables dans les systèmes existants.

Pour le bin picking 4D, Futura collabore avec Apera.ai qui dispose d'un système hautement avancé avec vision et traitement de trajectoire robot rapides et sans erreur. Vibromatic est une bonne source pour les bols vibrants lorsque cette technique est appropriée. Pour les applications de suivi de ligne, Futura Automation peut travailler avec Apera.AI, Cognex ou Keyence pour résoudre le problème vision et Fanuc pour les robots delta. Contactez Futura Automation pour vos problèmes de pick-and-place les plus complexes : tech@futura-automation.com