Qu'est-ce qu'un robot cartésien? | 5 Applications importantes | Avantages et inconvénients

Robot cartésien

Crédit image: Machine Design

Le sujet de la discussion: Faits et caractéristiques du robot cartésien

Qu'est-ce qu'un robot cartésien? | Système de robot cartésien

Définition du robot cartésien

Un robot cartésien ou un robot de coordonnées cartésiennes (également connu sous le nom de robot linéaire) est un robot industriel avec trois axes de contrôle principaux qui sont tous linéaires (ce qui signifie qu'ils se déplacent le long d'une ligne droite plutôt que de tourner) et mutuellement perpendiculaires les uns aux autres. Les 3 articulations coulissantes vous permettent de déplacer votre poignet de haut en bas, de va-et-vient et d'avant en arrière. Dans l'espace 3D, il est incroyablement fiable et précis. Il est également utile pour les mouvements horizontaux et l'empilage de bacs en tant que système de coordonnées de robot.

Conception de robot cartésien | Robot de coordonnées cartésiennes

Configurations de robot cartésien

Pour comprendre le mécanisme de conception d'un robot cartésien, l'une des premières choses à comprendre est le concept de topologie conjointe. Une cible en mouvement est liée à une base de manipulateurs en série par une chaîne continue de liens et d'articulations. La cible mobile est reliée au bas des manipulateurs parallèles par plusieurs chaînes (membres). La majorité des robots de coordonnées cartésiennes utilisent un mélange de liaisons en série et en parallèle. Tous les robots de coordonnées cartésiennes, en revanche, sont totalement connectés en parallèle.

Vient ensuite le degré de liberté. Les robots de coordonnées cartésiennes manipulent généralement des structures avec uniquement des degrés de liberté T de translation linéaire, car les joints P prismatiques de travail linéaire les exploitent. D'autre part, peu de robots de coordonnées cartésiennes ont également des degrés de liberté de rotation R.

La disposition des axes est l'une des premières choses à déterminer lors de la construction d'un robot cartésien, non seulement pour accomplir les mouvements nécessaires, mais également pour s'assurer que l'appareil a une rigidité adéquate, ce qui peut affecter la capacité de charge, la précision de déplacement et la précision de positionnement. .

Certaines applications qui nécessitent un mouvement de coordonnées cartésiennes sont bien assistées par un robot portique que par une méthode cartésienne, principalement si l'axe Y implique une course longue ou si la procédure cartésienne placera des moments substantiels sur les axes. Un dispositif de portique avec des axes Dual-X ou Dual-Y peut être nécessaire pour éviter une déviation ou des vibrations inutiles dans ces situations.

Un niveau linéaire, constitué d'un actionneur linéaire géométriquement parallèle avec des roulements linéaires, est généralement utilisé pour chaque axe d'un robot de coordonnées cartésiennes et l'actionneur linéaire est généralement monté entre 2 roulements linéaires qui sont séparés pour la charge de moment arrière. Une table XY est composée de deux étages linéaires perpendiculaires empilés les uns sur les autres.

Robots industriels cartésiens | Choisissez et placez le robot cartésien | Robot cartésien à portique

Pick-and-place Les applications, telles que l'utilisation en laboratoire, bénéficient d'une construction en porte-à-faux car les composants sont facilement accessibles. Les robots portiques sont des robots à coordonnées cartésiennes avec des membres horizontaux supportés aux deux extrémités; physiquement, ils sont similaires aux portiques, qui ne sont pas forcément des robots. Les robots portiques sont souvent gigantesques et capables de transporter de lourdes charges.

Différence entre les robots portiques et cartésiens

Un robot cartésien a un actionneur linéaire sur chaque axe, tandis qu'un robot portique a deux axes de bases (X) et un deuxième axe (Y) qui les enjambe. Cette conception arrête le 2nd axe d'être en porte-à-faux (plus à ce sujet plus tard) et permet des longueurs de course encore plus longues dans les portiques et une plus grande charge utile par rapport au robot cartésien.

Robot cartésien portique tecno-840, Source de l'image: www.tecnowey.com, Robot Portique tecno-840CC BY 3.0

Les robots cartésiens les plus courants utilisent la conception à double guidage car elle offre une meilleure protection pour les charges en surplomb (moment) ; cependant, les axes avec deux guides linéaires ont une empreinte plus importante que les axes avec un seul, en comparaison les systèmes à double guide généralement courts (dans le sens vertical) et peuvent éliminer l'interaction avec d'autres zones de la machine. L'argument est que le type d'axes que vous avez choisi a un impact non seulement sur l'efficacité du système cartésien, mais aussi sur l'empreinte globale.

Actionneurs de robots cartésiens

Si un mécanisme cartésien est le meilleur choix, le facteur de conception suivant est généralement l'unité de commande de l'actionneur, qui peut être un système à boulon, à vis ou à entraînement pneumatique. Les actionneurs linéaires sont généralement disponibles avec un guide linéaire simple ou double selon le système d'entraînement.

Contrôle et gestion des câbles

Le contrôle des câbles est une autre caractéristique essentielle de cette conception de robot qui est souvent ignorée dans les premières étapes (ou simplement reportée aux étapes ultérieures du plan). Pour le contrôle, l'air (pour les axes pneumatiques), l'entrée du codeur (pour les cartésiens asservis), le capteur et d'autres appareils électriques, chaque axe implique plusieurs câbles.

Source de l'image: Instrumentaux du Texas

Lorsque les systèmes et les composants sont connectés via l'Internet industriel des objets (IIoT), les méthodes et les outils utilisés pour les relier deviennent beaucoup plus critiques et ces deux tubes, fils et connecteurs doivent être acheminés de manière appropriée et entretenus pour éviter une fatigue prématurée due à une flexion ou perturbation due à des interférences avec d'autres composants de l'appareil.

Le type et la quantité de câbles nécessaires, ainsi que la sophistication de la gestion des câbles, sont tous déterminés par le type de contrôle et de protocole réseau. Notez que le support de câbles, les chemins de câbles ou les boîtiers du système de gestion des câbles affecteront les mesures du système total, assurez-vous donc qu'il n'y a pas de conflit avec le système de câblage et le reste des composants robotiques.

Commandes de robot cartésien

Les robots cartésiens sont la méthode préférée pour effectuer des mouvements point à point, mais ils peuvent également effectuer des mouvements interpolés et contournés complexes. Le type de mouvement nécessaire spécifiera le meilleur dispositif de contrôle, le meilleur protocole de réseau, l'IHM et les autres composants de mouvement pour le système.

Bien que ces composants soient situés indépendamment des axes du robot, pour la plupart, ils auront un impact sur les moteurs, les fils et les autres composants électriques sur l'axe nécessaires. Ces éléments sur l'axe influenceraient les deux premières considérations de conception, le positionnement et le contrôle du câble.

En conséquence, le processus de conception fait un tour complet, soulignant l'importance de construire un robot cartésien comme un dispositif électromécanique interconnecté plutôt qu'un ensemble de pièces mécaniques attachées à du matériel et des logiciels électriques.

Enveloppe de travail de robot cartésien

Diverses configurations de robot produisent des formes d'enveloppe de travail distinctes. Cette enveloppe de travail est cruciale lors du choix d'un robot pour une application spécifique car elle spécifie la zone de travail du manipulateur et de l'effecteur d'extrémité. Pour une multitude d'objectifs, il faut être prudent lors de l'étude de l'enveloppe de travail d'un robot:

  1. L'enveloppe de travail est la quantité de travail qui peut être approchée par un point à l'extrémité du bras robotique, qui est généralement le milieu des agencements de montage des effecteurs terminaux. Il ne possède aucun instrument ou pièce appartenant à l'effecteur terminal.
  2. Il y a parfois des endroits à l'intérieur de l'enveloppe de fonctionnement que le bras du robot ne peut pas entrer. Les zones mortes sont le nom donné à des régions spécifiques.
  3. La capacité de charge utile maximale citée n'est réalisable qu'à de telles longueurs de bras, qui peuvent ou non atteindre la portée maximale.

L'enveloppe de fonctionnement de la configuration cartésienne est un prisme rectangulaire. À l'intérieur de l'enveloppe de travail, il n'y a pas de zones mortes et le robot peut manipuler la charge utile complète sur tout le volume de travail.

Exemples de robots cartésiens

Un traceur de calculatrice

Traceur de calculatrice HP 9862A, source de l'image: Florian SchäfferHP 9862aCC BY-SA 4.0

Robot cartésien à 3 axes pour la distribution de nourriture pour mouches des fruits

Cinématique du robot cartésien

Le robot cartésien est essentiellement une articulation à trois prismatiques ou un robot PPP. Il suit la règle générale de détermination de la cinématique directe et inverse d'un manipulateur de robot de liaison série, qui peut être trouvée ici.

À quoi sert un robot cartésien? | Applications de robot cartésien

Les machines à commande numérique par ordinateur (machines CNC) et l'impression 3D sont deux applications typiques des robots de coordonnées cartésiennes. Les fraiseuses et les traceurs utilisent l'application la plus simple, dans laquelle un outil, tel qu'un routeur ou un stylo, se déplace autour d'un plan XY et est soulevé et abaissé sur une surface pour produire un motif spécifique.

La robotique à coordonnées cartésiennes peut également être utilisée dans les machines pick-and-place. Les robots cartésiens à portique aérien, par exemple, sont utilisés pour charger et décharger les composants utilisés dans la ligne de tours CNC, travaillant selon trois axes (X, Y, Z) pour effectuer des opérations de prélèvement et de placement de charges lourdes à grande vitesse et avec une grande précision.

Avantages du robot cartésien

  1. Ils peuvent déplacer de lourdes charges utiles en raison de leur construction compacte et de leur déplacement en ligne droite.
  2. Un seul contrôleur peut contrôler de nombreux robots, évitant ainsi le besoin de solutions API ou d'E / S entre plusieurs contrôleurs.
  3. Ils peuvent transporter de lourdes charges sur de longues distances car ils ont de longues courses d'environ 2 mètres.
  4. Leurs actions et leurs rôles sont exacts et reproductibles.
  5. Les temps de cycle sont raccourcis en raison de leur vitesse de déplacement et de leur accélération rapides.
  6. La possibilité de définir 2 unités sur l'axe Z et minimise l'espace de montage.
  7. Il peut être construit avec pratiquement n'importe quel actionneur linéaire et plusieurs mécanismes d'entraînement (avec courroie, vis-mère, actionneur ou moteur linéaire).
  8. Cette structure mécanique a simplifié la solution de bras de commande Robot, entre autres et si vous travaillez dans un espace 3D, elle est très fiable et précise.

Inconvénients du robot cartésien

  1. D'autre part, les robots cartésiens ont des inconvénients tels que nécessiter une grande quantité d'espace pour fonctionner et ne pas pouvoir travailler sous l'eau.
  2. Lorsqu'ils fonctionnent dans un environnement dangereux, ces robots ont également besoin d'une protection spéciale. Un autre inconvénient de ce type de robot est qu'il est généralement plus lent que les autres.
  3. Lorsque l'air est sale, il est souvent difficile d'empêcher la saleté de pénétrer dans les composants coulissants.
  4. L'utilisation d'un pont roulant ou d'un autre équipement de manutention pour accéder à l'enveloppe de travail peut être interdite et la réparation peut être compliquée.

Différences entre les robots cartésiens, à six axes et SCARA

Charge du robot cartésien

La capacité de charge d'un robot (telle que spécifiée par le fabricant) doit être supérieure au poids total de la charge utile à l'extrémité du bras robotique avec les pièces d'outillage. Les robots SCARA et six axes sont contraints car ils portent des charges sur des composants étendus.

Par exemple, un centre d'usinage qui fabrique des ensembles de roulements pesant 100 kg ou plus. À l'exception des plus grands robots SCARA ou à six axes, la charge utile dépasse leurs capacités. Un robot cartésien traditionnel, en revanche, peut facilement prélever et positionner ces charges car son cadre de support et ses roulements supportent toute la plage de mouvement.

Orientation du robot cartésien

La direction du robot est déterminée par la façon dont il est positionné et comment il place les pièces ou objets poussés. Si le plancher ou le piédestal monté sur le sol d'un robot SCARA ou à six axes crée un obstacle, ces robots peuvent ne pas être le bon choix. Les robots cartésiens de petite taille peuvent être placés au-dessus et à l'écart si l'application n'implique qu'une rotation sur quelques axes.

Cependant, pour la manipulation de composants complexes ou la fonction impliquant quatre axes de mouvement ou plus, la structure d'un robot cartésien peut être trop obstructive, et un robot SCARA compact, qui peut être aussi petit que 200 mm2 et quatre boulons sur un piédestal, peut-être un meilleur ajustement .

Vitesse du robot cartésien

Les catalogues des fabricants de robots ont également des cotes de vitesse en plus des cotes de charge. Les temps d'accélération sur de longues distances sont essentiels à retenir lors de la sélection de robots pour les applications de prélèvement et de placement. Les robots cartésiens peuvent atteindre des vitesses de cinq m/s ou plus, rivalisant avec les robots SCARA et six axes.

Cycle de service du robot cartésien

C'est le temps qu'il faut pour terminer une seule boucle de fonctionnement. Les robots qui fonctionnent en permanence 24 heures sur XNUMX, sept jours sur sept (comme dans le cas de la numérisation à haut débit et de la fabrication pharmaceutique) atteignent la fin de leur vie utile plus rapidement que ceux qui fonctionnent huit heures cinq jours par semaine. Pour arrêter l'aggravation potentielle, résolvez ces problèmes à l'avance et achetez des robots avec de longues périodes de lubrification et de faibles besoins d'entretien.

À propos d'Esha Chakraborty

J'ai une formation en ingénierie aérospatiale, je travaille actuellement à l'application de la robotique dans l'industrie de la défense et des sciences spatiales. Je suis un apprenant continu et ma passion pour les arts créatifs me maintient enclin à concevoir de nouveaux concepts d'ingénierie.
Avec des robots remplaçant presque toutes les actions humaines dans le futur, j'aime apporter à mes lecteurs les aspects fondamentaux du sujet d'une manière simple mais informative. J'aime aussi me tenir au courant des progrès de l'industrie aérospatiale simultanément.

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