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

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

• Flexibilité dans la conception
• Portée nettement plus longue (voyage)
• Charge utile plus importante
• Économies de coûts

La plupart des gens connaissent le bras robotisé à six axes (articulé) fréquemment présenté dans les médias sur les lignes de soudage automobile ou pour l'emballage de caisses et la palettisation. Les robots #Delta sont populaires pour le prélèvement et le placement de gros volumes entre deux bandes transporteuses dans les emballages alimentaires, principalement. Les bras #SCARA ou 4 axes sont un autre facteur de forme courant pour les robots industriels. SCARA est le meilleur pour la sélection et le placement de petites pièces dans l'électronique, les emballages médicaux et les petits produits de consommation. Les topologies de robots standards comme Articulated et SCARA ont des enveloppes de travail bien définies dictées par leurs fabricants et la mécanique du bras. Que se passe-t-il si un mouvement inhabituel est nécessaire ou s'il est très haut ou très long ? Pour cela nous pouvons proposer des robots cartésiens. Les cartésiens, parfois appelés robots portiques, constituent une topologie robotique très courante et simple. Bien entendu, les portiques sont antérieurs de plusieurs siècles aux robots cartésiens automatisés. Mais le format est assez similaire. La différence réside dans l'automatisation utilisée par les robots à portique afin que les mouvements puissent être préprogrammés et, dans certains cas, assistés par vision industrielle.

Qu'est-ce qu'un robot cartésien ?

Les imprimantes 3D utilisent la topologie cartésienne ou linéaire du robot, qu'il s'agisse d'un modèle de bureau ou d'un modèle suffisamment grand pour imprimer une maison en béton. Un autre exemple courant est une machine de transfert utilisée dans la fabrication de circuits imprimés électroniques, souvent appelée « lanceur de puces ». Les robots cartésiens de plus petit format sont souvent construits sur une table ou un système de convoyeur. Ils auront généralement 3 axes de mouvement. Ils peuvent se déplacer de haut en bas, d'avant en arrière et de gauche à droite. Les cartésiens, comme tous les robots, disposent d’un effecteur final qui exécute la tâche assignée. Les cartésiens qui effectuent 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 une portée inférieure à 30 centimètres.

Les effecteurs finaux pour les robots cartésiens peuvent inclure :

• Pince à vide
• Pince mécanique
• Tête d'imprimante
• Tête de routeur
• Jet d'eau
• Découpe laser
• Outils pour mélanger ou mélanger
• Vision industrielle

Quelles industries utilisent des robots cartésiens ?

Puisqu’ils ont un large éventail d’applications, les robots cartésiens se retrouvent dans de nombreuses industries. Les fabricants des secteurs suivants profitent généralement de cette technologie :

• Aéronautique – Usinage et finition
• Agriculture – Agriculture verticale
• Emballage – Emballage en caisses et palettisation
• Entretien de machines (CNC ou plastiques)
• Électronique, optique et semi-conducteurs
• Assemblage de dispositifs médicaux et distribution de produits pharmaceutiques
• Multimédia, équipement de scène et publicité
• Manipulation des aliments et des boissons

Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux exemples. La technologie cartésienne existe depuis longtemps. Pour cette raison, 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 lesquelles les robots cartésiens peuvent exceller.

Applications typiques des robots cartésiens

Les robots cartésiens constituent la bonne solution dans de nombreuses applications et pour d’autres, un robot linéaire serait un mauvais choix. La principale limitation d'un cartésien est l'amplitude de mouvement limitée, en particulier l'axe de la taille ou articulation 1 (J1) et l'action du poignet ou J5 et le rotatif J6 sur les robots articulés. Les robots à six axes peuvent se plier et se transformer dans toutes sortes de positions. Si le matériau doit être manipulé ou tourné selon un angle, que ce soit pour le prélèvement ou le placement, le soudage, la peinture ou la distribution, les bras articulés sont plus judicieux. Les robots cartésiens sont beaucoup plus rigides dans leur mouvement sans mouvement de rotation, sauf avec un éventuel actionneur rotatif sur l'effecteur final. Cela peut sembler une limitation, et cela peut l’être. Mais c'est également un avantage dans les applications conçues de manière planaire, comme le placement, le tri ou l'empilage de produits sur une plate-forme ou un convoyeur. Cette qualité planaire des robots linéaires présente des avantages qui leur permettent de mieux fonctionner que les autres types de robots pour certaines applications. Voici quelques exemples :

• Entretien de machines CNC
• Impression 3D
• Découpe plasma/laser de métaux
• Vissage
• Distribution
• Manipulation et acheminement du bois
• Assemblage et tests de PCB
• Prélèvement et placement ou tri
• Logistique – AS/RS pour l'entreposage
• Agriculture verticale
• Inspection

Les robots cartésiens peuvent exceller dans ces applications pour plusieurs raisons. Premièrement, ces applications sont généralement réalisées dans un seul plan ou dimension. Par exemple, un robot cartésien laser est chargé de découper une forme dans une feuille de métal. La tôle est posée à plat sur la surface de coupe. Le robot effectue ses mouvements commandés pour découper la forme de la pièce. Ce mouvement ne nécessite pas que le robot se tourne selon des angles particuliers ou tourne sur le côté de la pièce. Tout est mouvement haut/bas, avant/arrière et gauche/droite. Certains robots cartésiens auront un axe rotatif supplémentaire au niveau de l'effecteur final. Si une flexibilité et une amplitude de mouvement significatives sont requises, un autre type de robot pourrait être préférable.

Flexibilité dans la conception

Les robots cartésiens constituent la plateforme robotique la plus évolutive disponible. Cette évolutivité réside à la fois dans leur taille physique potentielle et dans 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 « platines multi-axes » et sont utilisés pour la photolithographie, la distribution, le placement ou la découpe laser au micron près dans l'électronique. Il existe également aujourd’hui de grands robots cartésiens mesurant 50 mètres (164 pieds) de long ou plus. Une application courante des « grands cartésiens » est celle des unités de transfert robotisées, ou « 7ème axe » unique comme on les appelle communément. Les robots articulés peuvent également être montés sur un cartésien XY ou XZ pour couvrir de grandes surfaces, par exemple pour meuler des pièces soudées ou finir un navire. Les actionneurs à courroie renforcée en métal permettent à Macron Dynamics de fabriquer ces systèmes incroyablement longs et adaptés à des charges utiles allant jusqu'à 2 200 lb (1 000 kg). Ces mécanismes, en plus des boîtes de vitesses à rapport élevé et des moteurs qui n'ont pas besoin de s'insérer dans un boîtier de robot mince, signifient que les robots cartésiens peuvent gérer facilement les tâches les plus importantes et les plus lourdes.

Évolutivité de la portée (longueur)

Les clients de Futura Automation bénéficient 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, fournira le renforcement des poutres de pultrusion en fibre de verre pour la travée 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 X ou Y horizontal de 200 pieds (60 m) est une possibilité, tout comme un axe Z de 60 pieds (20 m) de hauteur. Un cartésien peut également intégrer un entraînement à axe thêta pour une rotation à l'extrémité de l'axe Z ou vertical ou fournir une action du poignet.

Large gamme de charges utiles

Les portiques utilisant des courroies renforcées en acier et lorsqu'ils sont renforcés par des poutres de pultrusion en fibre de verre ou des poutres en I en acier, peuvent supporter des charges de milliers de livres rivalisant avec les bras de robot articulés les plus solides (et très coûteux). Il est possible d'appliquer un frein mécanique intégré à un servoréducteur pour maintenir une charge dans un axe vertical, même sans puissance. Macron Dynamics propose également son système CLAWS comme dispositif de sécurité pour se protéger contre les charges verticales incontrôlées.

Coût d'un robot cartésien

Nous avons appris que les robots cartésiens sont hautement évolutifs. Cela signifie que leurs coûts sont également hautement évolutifs. En 2023, le coût d'un système robot cartésien complet, y compris les servomoteurs et les commandes, variera de 20 000 $ pour un petit système à 200 000 $ ou plus pour un très grand système. Mais toutes choses égales par ailleurs, la portée et la charge utile, en utilisant un robot cartésien pour un projet, seront moins coûteuses que l'utilisation d'un autre facteur de forme de robot industriel comparable, tel qu'un robot à six axes pour le même projet, pour la même portée et la même charge utile. La principale raison en est l'utilisation d'extrusions standardisées et de servos disponibles dans le commerce plutôt que de bras mécaniques moulés avec des servos personnalisés, un engrenage cycloïdal et des roulements personnalisés comme c'est le cas pour les bras articulés. Les principales variables de coût des projets de robots cartésiens sont :

• Taille et vitesse du projet (longueurs des actionneurs et capacités de charge utile) et si une superstructure de renforcement est requise
• Complexité de l'application (quels types de pinces spécialisées ou d'axes thêta supplémentaires sont requis)
• Type de contrôle, communications et homme-machine (IHM) requis pour le fonctionnement
• Niveau de précision requis, pouvant même nécessiter un entraînement hybride à vis sans jeu sur un ou plusieurs axes
• Si une clôture de sécurité ou des capteurs sont nécessaires ou non pour assurer la protection

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

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

• Recherchez-vous des réductions de coûts ou des augmentations de débit ?
• La charge utile ou la portée constituent-elles un défi majeur pour un bras articulé ou SCARA ?
• Quelle précision/exactitude est requise pour l'application ?
• Quel est le profil de vitesse par rapport à la charge, c'est-à-dire quelles sont les exigences d'inertie et de couple d'entraînement ?

Comme il existe une table rase pour concevoir un robot cartésien, il est important de faire correspondre correctement l'inertie lors de la sélection du moteur et de la boîte de vitesses. Futura Automation nous aidera à faire correspondre l'inertie lorsque nous fournirons nos conseils de conception pour les projets de nos clients. Voici un document de l'association industrielle « A3 » qui décrit en détail l'importance de l'adaptation d'impédance. Un guide vidéo pour la correspondance 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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