Waarom cartesiaanse (portaal)robots beter presteren dan gelede armen:4 belangrijke voordelen

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) biedt een reeks robot-, automatiserings- en bewegingsgestuurde oplossingen. De nieuwsbrief van Futura Automation van deze week legt de voordelen uit van cartesiaanse robots, vooral die geleverd door Macron Dynamics, Inc., in vergelijking met de andere grote industriële robottopologieën:#Articulated, Delta en SCARA. In dit artikel worden de vier belangrijkste voordelen van cartesianen uitgelegd:

• Flexibiliteit in ontwerp
• Aanzienlijk groter bereik (reizen)
• Groter laadvermogen
• Kostenbesparingen

De meeste mensen kennen de zesassige (gelede) robotarm die vaak wordt getoond in de media op laslijnen in de auto-industrie of voor het verpakken en palletiseren van dozen. #Delta-robots zijn vooral populair voor het picken en plaatsen van grote volumes tussen twee transportbanden in voedselverpakkingen. #SCARA of 4-assige armen zijn een andere veel voorkomende vormfactor voor industriële robots. SCARA is het beste in het verzamelen en plaatsen van kleine onderdelen in elektronica, medische verpakkingen en kleine consumentenproducten. Standaard robottopologieën zoals Articulated en SCARA hebben goed gedefinieerde werkbereiken die worden gedicteerd door hun fabrikanten en de mechanica van de arm. Wat als er een ongebruikelijke beweging nodig is, of een beweging die heel lang of heel lang is? Daarvoor kunnen wij Cartesiaanse robots aanbieden. Cartesiërs, ook wel portaalrobots genoemd, zijn een veel voorkomende en eenvoudige robottopologie. Portaalkranen zijn uiteraard al eeuwen ouder dan geautomatiseerde Cartesiaanse robots. Maar de vormfactor is vrij gelijkaardig. Het verschil is de automatisering die door portaalrobots wordt gebruikt, zodat bewegingen kunnen worden voorgeprogrammeerd en in sommige gevallen kunnen worden ondersteund door machine vision.

Wat is een cartesiaanse robot?

3D-printers maken gebruik van de cartesiaanse of lineaire robottopologie, of het nu een desktopmodel is of een model dat groot genoeg is om een huis met beton te printen. Een ander veelvoorkomend voorbeeld is een pick-and-place-machine die wordt gebruikt bij de productie van elektronische printplaten, vaak een ‘chipshooter’ genoemd. Kleinere vormfactor Cartesiaanse robots worden vaak over een tafel of transportbandsysteem gebouwd. Ze hebben doorgaans 3 bewegingsassen. Ze kunnen omhoog/omlaag, vooruit/achteruit en links/rechts bewegen. Cartesiërs hebben, net als alle robots, een eindeffector die de toegewezen taak uitvoert. Cartesiërs die de meest precieze taken uitvoeren, normaal gesproken in de halfgeleider- en optische industrie, hebben een herhaalbaarheid van minder dan één micron over een bereik van minder dan 30 centimeter.

Eindeffectoren voor Cartesiaanse robots kunnen het volgende omvatten:

• Vacuümgrijper
• Mechanische grijper
• Printerkop
• Routerkop
• Waterjet
• Snijlaser
• Mix- of roergereedschappen
• Machinevisie

Welke industrieën gebruiken cartesiaanse robots?

Omdat ze een breed scala aan toepassingen hebben, zijn Cartesiaanse robots in veel industrieën te vinden. Fabrikanten in de volgende sectoren profiteren doorgaans van deze technologie:

• Lucht- en ruimtevaart – Bewerking en afwerking
• Landbouw – Verticale landbouw
• Verpakking – Dozen verpakken en palletiseren
• Machinenaaien (CNC of kunststof)
• Elektronica, optische en halfgeleiders
• Assemblage van medische hulpmiddelen en uitgifte van medicijnen
• Multimedia, podiumapparatuur en reclame
• Behandeling van voedsel en dranken

Dit zijn slechts enkele van de vele voorbeelden. Cartesiaanse technologie bestaat al heel lang. Hierdoor zijn er veel beproefde toepassingen voor deze robots. Ze zijn ook eenvoudig te begrijpen en te herprogrammeren voor operators. Dit maakt ze gebruiksvriendelijk voor mensen die nieuw zijn in automatisering. Deze fabrikanten hebben vaak het soort toepassingen waarin Cartesiaanse robots kunnen uitblinken.

Typische toepassingen van cartesiaanse robots

Cartesiaanse robots zijn in veel toepassingen de juiste oplossing, en voor andere zou een lineaire robot een slechte keuze zijn. De belangrijkste beperking voor een Cartesiaan is het beperkte bewegingsbereik, vooral de taille-as of gewricht 1 (J1) en de polsactie of J5 en de roterende J6 op gelede robots. Robots met zes assen kunnen buigen en in allerlei posities draaien. Als materiaal onder een hoek moet worden gehanteerd of geroteerd, hetzij oppakken of plaatsen, lassen, verven of doseren, dan zijn gelede armen zinvoller. Cartesiaanse robots zijn veel stijver in hun beweging zonder roterende beweging, behalve met een mogelijke roterende actuator op de eindeffector. Dit lijkt misschien een beperking, en dat kan ook zo zijn. Maar het is ook een voordeel bij vlak ontworpen toepassingen, zoals het plaatsen, sorteren of stapelen van producten op een platform of transportband. Deze vlakke kwaliteit van lineaire robots heeft voordelen waardoor ze voor bepaalde toepassingen beter kunnen presteren dan andere robottypen. Hier zijn een paar voorbeelden:

• CNC-machine onderhouden
• 3D-printen
• Metaalplasma/lasersnijden
• Schroevendraaien
• Uitgifte
• Houtbehandeling en routering
• PCB-assemblage en testen
• Kies en plaats of sorteer
• Logistiek – AS/RS voor warehousing
• Verticale landbouw
• Inspectie

Er zijn een paar redenen waarom cartesiaanse robots in deze toepassingen kunnen uitblinken. Ten eerste worden deze toepassingen gewoonlijk in één vlak of dimensie uitgevoerd. Een Cartesiaanse laserrobot heeft bijvoorbeeld de taak een vorm uit een stuk metaal te snijden. De metalen plaat wordt plat op het snijoppervlak gelegd. De robot voert de opgedragen bewegingen uit om de vorm uit het stuk te snijden. Voor deze beweging is het niet nodig dat de robot onder speciale hoeken draait of naar de zijkant van het stuk draait. Het is allemaal beweging omhoog/omlaag, vooruit/achteruit en links/rechts. Sommige cartesiaanse robots hebben een extra roterende as aan de eindeffector. Als er aanzienlijke flexibiliteit en bewegingsvrijheid nodig is, is een ander robottype wellicht de beste keuze.

Flexibiliteit in ontwerp

Cartesiaanse robots zijn het meest schaalbare robotplatform dat beschikbaar is. Deze schaalbaarheid zit zowel in hun potentiële fysieke omvang als in hun ultieme kracht. Cartesiaanse robots kunnen zo klein zijn als de palm van je hand en zo groot als een magazijn. Zeer kleine Cartesiërs worden vaak "meerassige trappen" genoemd en worden gebruikt voor fotolithografie met micronnauwkeurigheid, distributie, plaatsing of lasersnijden in de elektronica. Er zijn tegenwoordig ook grote Cartesiaanse robots die 50 meter lang of langer zijn. Een veel voorkomende “grote cartesiaanse” toepassing zijn Robot Transfer Units, of enkele “7e As” zoals ze algemeen bekend staan. Gelede robots kunnen ook op een XY- of XZ-cartesiaans worden gemonteerd om grote oppervlakken te bestrijken, bijvoorbeeld voor het slijpen van lasnaden of het afwerken van een schip. Dankzij met metaal versterkte riemactuators kan Macron Dynamics deze systemen ongelooflijk lang en geschikt maken voor een laadvermogen tot 1000 kg. Dankzij deze mechanismen, naast de grote versnellingsbakken en motoren die niet in een slanke robotbehuizing hoeven te passen, kunnen cartesiaanse robots de grootste en zwaarste taken met gemak aan.

Schaalbaarheid in bereik (lengte)

De klanten van Futura Automation profiteren van de voordelen van de flexibiliteit en schaalbaarheid van op maat gemaakte Cartesiaanse robots. Het is mogelijk om een ​​Cartesiaanse constructie te bouwen die zo lang is als de structurele overspanning van een gebouw. Futura's partner, Macron Dynamics, zal glasvezelpultrusiebalkversterking leveren voor de horizontale overspanning. Het is ook mogelijk om de lineaire actuator te versterken met stalen I-balken voor langere overspanningen en zwaardere belastingen. Een horizontale X- of Y-as van 60 meter (200 ft) is mogelijk, evenals een Z-as van 20 meter (60 ft). Een Cartesiaan kan ook een theta-asaandrijving inbouwen voor rotatie aan het uiteinde van de Z- of verticale as of voor een polsactie.

Breed scala aan ladingen

Portaalconstructies die gebruik maken van met staal versterkte riemen en versterkt door glasvezel pultrusiebalken of stalen I-balken, kunnen lasten van duizenden kilo's aan, vergelijkbaar met de sterkste (en zeer dure) gelede robotarmen. Het is mogelijk om een ​​geïntegreerde mechanische rem op een servomotorreductor aan te brengen om een ​​last in een verticale as te houden, zelfs als de stroom is uitgeschakeld. Macron Dynamics biedt ook zijn CLAWS-systeem aan als veiligheidsvoorziening ter bescherming tegen ongecontroleerde verticale belastingen.

Kosten van een cartesiaanse robot

We hebben geleerd dat cartesiaanse robots zeer schaalbaar zijn. Dit betekent dat hun kosten ook zeer schaalbaar zijn. In 2023 zullen de kosten van een compleet cartesiaans robotsysteem, inclusief servoaandrijvingen en besturingen, variëren van $20.000 voor een klein systeem tot $200.000 of meer voor een zeer groot systeem. Maar als de rest gelijk is, zullen het bereik en de nuttige lading, waarbij een Cartesiaanse robot voor een project wordt gebruikt, goedkoper zijn dan het gebruik van een andere vergelijkbare industriële robotvormfactor, zoals zes assen voor hetzelfde project, voor hetzelfde bereik en dezelfde nuttige lading. De belangrijkste reden hiervoor is het gebruik van gestandaardiseerde extrusies en kant-en-klare servo's in plaats van gegoten mechanische armen met aangepaste servo's, cycloïde tandwielen en aangepaste lagers, zoals vereist voor gelede armen. De belangrijkste kostenvariabelen voor cartesiaanse robotprojecten zijn:

• Omvang en snelheid van het project (lengte van de actuator en laadvermogen) en of er een versterkende bovenbouw nodig is
• Complexiteit van de toepassing (welke soorten gespecialiseerde grijpers of extra theta-assen zijn vereist)
• Type besturing, communicatie en mens-machine (HMI) vereist voor werking
• Vereist nauwkeurigheidsniveau, waarvoor mogelijk zelfs een spelingsvrije hybride schroefaandrijving in een of meer assen nodig is
• Of er wel of niet veiligheidshekken of sensoren nodig zijn om bescherming te bieden

Samenvatting:Wanneer winnen cartesiaanse robots van gelede, delta- of SCARA-robots?

Nu weet je iets over cartesiaanse robots en hun toepassingen. Dus, wanneer zijn ze geschikt voor u en uw project? Wij kunnen u helpen deze vragen te beantwoorden. Maar in het kort zijn hier de belangrijkste overwegingen:

• Bent u op zoek naar kostenverlagingen of verhogingen van de doorvoer?
• Is de lading of het bereik een grote uitdaging voor een gelede of SCARA-arm?
• Welke precisie/nauwkeurigheid is vereist voor de toepassing?
• Wat is het snelheidsprofiel ten opzichte van de belasting, d.w.z. wat zijn de vereisten voor traagheid en aandrijfkoppel?

Omdat er een schone lei bestaat om een cartesiaanse robot te ontwerpen, is het belangrijk om de traagheid correct op elkaar af te stemmen bij het selecteren van de motor en versnellingsbak. Futura Automation helpt bij het matchen van traagheid wanneer we ontwerpbegeleiding bieden voor onze klantprojecten. Hier is een document van branchevereniging “A3” waarin het belang van impedantiematching grondig wordt beschreven. Er is ook een videogids voor traagheidsmatching beschikbaar:https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Hoe Futura Automation uw project kan ondersteunen

Neem contact met ons op via:sales@futura-automation.com