Pourquoi les robots cartésiens (portiques) surpassent les bras articulés : 4 avantages clés

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) propose une gamme de solutions robotiques, d'automatisation et de contrôle de mouvement. La newsletter de cette semaine de Futura Automation explique les avantages des robots cartésiens, notamment ceux fournis par Macron Dynamics, Inc., par rapport aux autres topologies majeures de robots industriels : #Articulés, Delta et SCARA. Cet article explique les quatre avantages principaux des cartésiens :

• Flexibilité de conception
• Portée (course) substantiellement plus longue
• Charge utile plus élevée
• Économies de coûts

La plupart des gens connaissent le bras robotique à six axes (articulé) fréquemment montré dans les médias sur les lignes de soudage automobile ou pour l'emballage en caisses et la palettisation. Les robots #Delta sont populaires pour le pick-and-place à haut volume entre deux convoyeurs dans l'emballage alimentaire, principalement. Les bras #SCARA ou à 4 axes sont un autre facteur de forme courant pour les robots industriels. Le SCARA excelle dans le pick-and-place de petites pièces dans l'électronique, l'emballage médical et les petits produits de consommation. Les topologies de robots standards comme les articulés et SCARA ont des enveloppes de travail bien définies dictées par leurs fabricants et la mécanique du bras. Mais que faire si un mouvement inhabituel est requis, ou très haut ou très long ? C'est là que nous pouvons proposer des robots cartésiens. Les cartésiens, parfois appelés robots portiques, sont une topologie robotique très courante et simple. Les grues portiques, bien sûr, précèdent les robots cartésiens automatisés de plusieurs siècles. Mais le facteur de forme est assez similaire. La différence réside dans l'automatisation employée par les robots portiques pour que les mouvements puissent être préprogrammés et, dans certains cas, assistés par vision artificielle.

Qu'est-ce qu'un robot cartésien ?

Les imprimantes 3D utilisent la topologie de robot cartésien ou linéaire, qu'il s'agisse d'un modèle de bureau ou d'un modèle assez grand pour imprimer une maison en béton. Un autre exemple courant est une machine de pick-and-place utilisée dans la fabrication de circuits électroniques, souvent appelée « chip shooter ». Les robots cartésiens de plus petit format sont souvent construits au-dessus d'une table ou d'un système de convoyeur. Ils ont généralement 3 axes de mouvement : haut/bas, avant/arrière, gauche/droite. Les cartésiens, comme tous les robots, ont un effecteur final qui effectue la tâche assignée. Les cartésiens effectuant les tâches les plus précises, normalement dans les industries des semi-conducteurs et de l'optique, ont une répétabilité inférieure à un micron sur une portée ou portée de moins de 30 centimètres.

Effecteurs finaux pour robots cartésiens peuvent inclure :

• Préhenseur à vide
• Préhenseur mécanique
• Tête d'impression
• Tête de fraisage
• Jet d'eau
• Laser de découpe
• Outils de mélange ou de brassage
• Vision artificielle

Quels secteurs utilisent les robots cartésiens ?

Étant donné leur large éventail d'applications, les robots cartésiens se trouvent dans de nombreux secteurs. Les fabricants des secteurs suivants exploitent couramment cette technologie :

• Aérospatiale – Usinage et finition
• Agriculture – Agriculture verticale
• Emballage – Emboîtage en caisses & palettisation
• Tendance de machines (CNC ou plastiques)
• Électronique, optique et semi-conducteurs
• Assemblage de dispositifs médicaux et dosage pharmaceutique
• Multimédia, équipements de scène et publicité
• Manipulation agroalimentaire

Ce ne sont que quelques exemples. La technologie cartésienne existe depuis longtemps. De ce fait, il existe de nombreuses applications éprouvées pour ces robots. Ils sont également simples à comprendre et à reprogrammer pour les opérateurs. Cela les rend conviviaux pour ceux qui découvrent l'automatisation. Ces fabricants ont souvent les types d'applications dans lesquels les robots cartésiens peuvent exceller.

Applications typiques des robots cartésiens

Les robots cartésiens sont la solution correcte dans de nombreuses applications et pour d'autres, un robot linéaire serait un mauvais choix. La limitation clé d'un cartésien est l'amplitude de mouvement limitée, surtout l'axe de taille ou Joint 1 (J1) et l'action du poignet ou J5 et le J6 rotatif sur les robots articulés. Les robots à six axes peuvent se plier et tourner dans toutes sortes de positions. Si le matériau doit être manipulé ou tourné sous un angle, que ce soit pour le prélèvement ou le placement, le soudage, la peinture ou le dosage, alors les bras articulés ont plus de sens. Les robots cartésiens sont beaucoup plus rigides dans leur mouvement sans mouvement rotatif, sauf avec un actionneur rotatif possible sur l'effecteur final. Cela peut sembler une limitation, et ça peut l'être. Mais c'est aussi un avantage dans les applications conçues de façon plane, comme le placement, le tri ou l'empilage de produits sur une plateforme ou un convoyeur. Cette qualité plane des robots linéaires porte des avantages qui leur permettent de performer mieux que d'autres types de robots pour certaines applications. Voici quelques exemples :

• Tendance de machines CNC
• Impression 3D
• Découpe plasma/laser métal
• Vissage
• Dosage
• Manipulation et routage du bois
• Assemblage et test PCB
• Pick-and-place ou tri
• Logistique – AS/RS pour entreposage
• Agriculture verticale
• Inspection

Il y a quelques raisons pour lesquelles les robots cartésiens peuvent exceller dans ces applications. Premièrement, ces applications sont couramment effectuées dans un plan ou une dimension. Par exemple, un robot cartésien laser est chargé de découper une forme dans une tôle. La tôle est posée à plat sur la surface de découpe. Le robot effectue ses mouvements commandés pour découper la forme. Ce mouvement ne nécessite pas que le robot se torde à des angles spéciaux ou tourne sur le côté de la pièce. Tout est en mouvement haut/bas, avant/arrière, gauche/droite. Certains robots cartésiens auront un axe rotatif additionnel sur l'effecteur final. Si une flexibilité et une amplitude de mouvement significatives sont requises, un autre type de robot pourrait être préférable.

Flexibilité de conception

Les robots cartésiens sont la plateforme robotique la plus évolutive disponible. Cette évolutivité s'applique tant à leur taille physique potentielle qu'à leur résistance ultime. Les robots cartésiens peuvent être aussi petits que la paume de votre main et aussi grands qu'un entrepôt. Les très petits cartésiens sont souvent appelés « étages multi-axes » et sont utilisés pour la photolithographie, le dosage, le placement ou la découpe laser à précision micronique dans l'électronique. Il existe aussi de grands robots cartésiens aujourd'hui qui font 50 mètres (164 pieds) de long ou plus. Une application courante de « grand cartésien » est les Unités de Transfert Robot (Robot Transfer Units), ou « 7ème axe » unique comme on les appelle communément. Les robots articulés peuvent aussi être montés sur un cartésien XY ou XZ pour couvrir de grandes surfaces, comme pour le meulage de soudures ou la finition d'un navire. Les actionneurs à courroie renforcée en métal permettent à Macron Dynamics de réaliser ces systèmes incroyablement longs et adaptés à des charges utiles jusqu'à 2200 lb (1000 kg). Ces mécanismes, en plus de réducteurs à grand rapport et de moteurs qui n'ont pas à tenir dans un corps de robot mince, signifient que les robots cartésiens peuvent gérer les tâches les plus grandes et les plus lourdes avec aisance.

Évolutivité de la portée (longueur)

Les clients de Futura Automation récoltent les bénéfices de la flexibilité et de l'évolutivité des robots cartésiens personnalisés. Il est possible de construire un cartésien aussi long que la portée structurelle d'un bâtiment. Le partenaire de Futura, Macron Dynamics, fournit un renforcement de poutre en pultrusion de fibre de verre pour la portée horizontale. Il est également possible de renforcer l'actionneur linéaire avec des poutres en I en acier pour des portées plus longues et des charges plus lourdes. Un axe horizontal X ou Y de 200 pi (60 m) est possible, tout comme un axe Z vertical de 60 pi (20 m). Un cartésien peut également incorporer un entraînement d'axe theta pour la rotation au bout de l'axe Z ou vertical ou fournir une action de poignet.

Large gamme de charges utiles

Les portiques utilisant des courroies renforcées en acier et renforcées par des poutres en pultrusion de fibre de verre ou des poutres en I en acier, peuvent gérer des charges de milliers de livres rivalisant avec les bras articulés les plus puissants (et très chers). Il est possible d'appliquer un frein mécanique intégré à un motoréducteur servo pour maintenir une charge sur un axe vertical, même sans alimentation. Macron Dynamics propose également son système CLAWS comme dispositif de sécurité pour protéger contre les charges verticales non contrôlées.

Coût d'un robot cartésien

Nous avons vu que les robots cartésiens sont hautement évolutifs. Cela signifie que leurs coûts le sont aussi. En 2023, le coût d'un système robotique cartésien complet, incluant servomoteurs et contrôles, variera de 20 000 $ pour un petit système jusqu'à 200 000 $ ou plus pour un très grand système. Mais toutes choses égales par ailleurs, la portée et la charge utile, l'utilisation d'un robot cartésien pour un projet sera moins coûteuse qu'un autre facteur de forme de robot industriel comparable, comme un six axes pour le même projet, pour la même portée et charge utile. La raison principale est l'utilisation d'extrusions standardisées et de servos du commerce plutôt que des bras mécaniques moulés avec servos personnalisés, engrenages cycloïdaux et roulements personnalisés comme requis pour les bras articulés. Les principales variables de coût pour les projets de robots cartésiens sont :

• Taille et vitesse du projet (longueurs d'actionneur et capacités de charge) et si une superstructure de renforcement est requise
• Complexité de l'application (types de préhenseurs spécialisés ou axes theta additionnels requis)
• Type de contrôle, communications et interface homme-machine (IHM) requis pour l'exploitation
• Niveau de précision requis, qui pourrait même exiger un entraînement à vis à billes sans jeu dans un ou plusieurs axes
• Si des clôtures ou capteurs de sécurité sont requis pour la protection

Synthèse : Quand les robots cartésiens l'emportent-ils sur les robots articulés, Delta ou SCARA ?

Maintenant, vous en savez un peu plus sur les robots cartésiens et leurs applications. Alors, quand sont-ils faits pour vous et votre projet ? Nous pouvons vous aider à répondre à ces questions. Mais en bref, voici les principales considérations :

• Cherchez-vous des réductions de coûts ou des augmentations de débit ?
• La charge utile ou la portée est-elle un gros défi pour un bras articulé ou SCARA ?
• Quelle précision / exactitude est requise pour l'application ?
• Quel est le profil de vitesse versus la charge, c.-à-d. quelles sont les exigences d'inertie et de couple d'entraînement ?

Comme il y a une page blanche pour concevoir un robot cartésien, il est important de correctement assortir l'inertie lors de la sélection du moteur et du réducteur. Futura Automation aidera avec l'assortiment d'inertie lorsque nous fournissons nos conseils de conception pour les projets clients. Voici un document de l'association industrielle « A3 » qui décrit en détail l'importance de l'adaptation d'impédance. Un guide vidéo pour l'adaptation d'inertie est également fourni : https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Comment Futura Automation peut soutenir votre projet

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