Почему декартовы (портальные) роботы превосходят шарнирно-сочлененные манипуляторы:4 ключевых преимущества

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) предоставляет широкий спектр решений в области робототехники, автоматизации и управления движением. В информационном бюллетене Futura Automation на этой неделе объясняются преимущества декартовых роботов, особенно тех, которые поставляются Macron Dynamics, Inc., по сравнению с другими основными топологиями промышленных роботов:#Articulated, Delta и SCARA. В этой статье будут объяснены четыре основных преимущества картезианцев:

• Гибкость дизайна
• Значительно больший охват (путешествия)
• Большая полезная нагрузка
• Экономия расходов

Большинству людей известен шестиосный (шарнирный) робот-манипулятор, часто показанный в средствах массовой информации на автомобильных сварочных линиях или для упаковки коробок и укладки на поддоны. Роботы #Delta популярны, прежде всего, для захвата и размещения больших объемов продукции между двумя конвейерными лентами в упаковке пищевых продуктов. #SCARA или 4-осевые манипуляторы — еще один распространенный форм-фактор промышленных роботов. SCARA лучше всего подходит для комплектования и размещения мелких деталей в электронике, медицинской упаковке и небольших потребительских товарах. Стандартные топологии роботов, такие как Articulated и SCARA, имеют четко определенные рабочие зоны, определяемые их производителями и механикой руки. Что, если требуется необычное движение, очень высокое или очень длинное? Для этого мы можем предложить декартовых роботов. Декартианы, иногда называемые портальными роботами, представляют собой очень распространенную и простую топологию роботов. Козловые краны, конечно, появились на столетия раньше автоматизированных декартовых роботов. Но форм-фактор очень похож. Разница заключается в автоматизации, используемой портальными роботами, поэтому движения можно заранее запрограммировать, а в некоторых случаях с помощью машинного зрения.

Что такое декартовский робот?

В 3D-принтерах используется декартова или линейная топология робота, будь то настольная модель или модель, достаточно большая, чтобы напечатать дом из бетона. Другим распространенным примером является машина для захвата и размещения, используемая при производстве электронных плат, которую часто называют «чип-шутером». Декартовы роботы меньшего форм-фактора часто строятся на столе или конвейерной системе. Обычно они имеют 3 оси движения. Они могут двигаться вверх/вниз, вперед/назад и влево/вправо. Картезианцы, как и все роботы, имеют рабочий орган, выполняющий поставленную задачу. Декартианы, которые выполняют наиболее точные задачи, обычно в полупроводниковой и оптической промышленности, имеют повторяемость менее одного микрона на расстоянии менее 30 сантиметров.

Конечные эффекторы для декартовых роботов могут включать в себя:

• Вакуумный захват
• Механический захват
• Головка принтера
• Головка маршрутизатора
• Водоструйная резка
• Лазерная резка
• Инструменты для смешивания или перемешивания
• Машинное зрение

В каких отраслях используются декартовы роботы?

Поскольку декартовы роботы имеют широкий спектр применений, их можно найти во многих отраслях. Эту технологию обычно используют производители в следующих отраслях:

• Аэрокосмическая промышленность – обработка и отделка
• Сельское хозяйство – вертикальное фермерство
• Упаковка – упаковка в ящики и паллетирование
• Обслуживание станков (ЧПУ или пластмасс)
• Электроника, оптика и полупроводники
• Сборка медицинского оборудования и отпуск фармацевтических препаратов
• Мультимедиа, сценическое оборудование и реклама.
• Обработка продуктов питания и напитков

Это лишь некоторые из многих примеров. Декартова технология существует уже давно. Поэтому существует множество проверенных и надежных применений этих роботов. Они также просты для понимания и перепрограммирования для операторов. Это делает их удобными для новичков в автоматизации. У этих производителей часто есть те области применения, в которых декартовы роботы могут преуспеть.

Типичные применения декартовых роботов

Декартовы роботы являются правильным решением во многих приложениях, а для других линейный робот будет плохим выбором. Ключевым ограничением для картезианцев является ограниченный диапазон движений, особенно оси талии или сустава 1 (J1), а также движения запястья или J5 и поворотного J6 на шарнирно-сочлененных роботах. Шестиосные роботы могут сгибаться и принимать любые положения. Если материал необходимо перемещать или поворачивать под углом, собирать или укладывать, сваривать, красить или распределять, то шарнирные рычаги имеют больше смысла. Декартовы роботы гораздо более жестки в своем движении, не имеют вращательного движения, за исключением возможного поворотного привода на концевом эффекторе. Это может показаться ограничением, и так оно и есть. Но это также является преимуществом в приложениях, разработанных на плоской основе, например, при размещении, сортировке или укладке продуктов на платформу или конвейер. Это планарное качество линейных роботов имеет преимущества, которые позволяют им работать лучше, чем другие типы роботов для определенных приложений. Вот несколько примеров:

• Обслуживание станков с ЧПУ
• 3D-печать
• Плазменная/лазерная резка металла
• Завинчивание
• Выдача
• Обработка и маршрутизация древесины
• Сборка и тестирование печатной платы
• Выбор и размещение или сортировка
• Логистика – AS/RS для складирования
• Вертикальное фермерство
• Проверка

Есть несколько причин, по которым декартовы роботы могут преуспеть в этих приложениях. Во-первых, эти приложения обычно выполняются в одной плоскости или измерении. Например, лазерному декартовскому роботу поручено вырезать фигуру из листа металла. Лист металла укладывают плашмя на обрабатываемую поверхность. Робот выполняет заданные движения, чтобы вырезать фигуру из детали. Это движение не требует, чтобы робот поворачивался под особыми углами или поворачивался в сторону детали. Это все движения вверх/вниз, вперед/назад и влево/вправо. Некоторые декартовы роботы будут иметь дополнительную поворотную ось на концевом эффекторе. Если требуется значительная гибкость и диапазон движений, лучше всего подойдет другой тип робота.

Гибкость дизайна

Декартовы роботы — самая масштабируемая доступная платформа для роботов. Эта масштабируемость заключается как в их потенциальном физическом размере, так и в предельной прочности. Декартовы роботы могут быть размером с ладонь и размером со склад. Очень маленькие декартианы часто называют «многоосными этапами» и используются для фотолитографии, дозирования, размещения или лазерной резки в электронике с микронной точностью. Сегодня существуют также большие декартовы роботы длиной 50 метров (164 фута) и более. Распространенным «большим декартовым» приложением являются роботизированные передаточные устройства или одиночная «7-я ось», как их обычно называют. Шарнирно-сочлененные роботы также могут быть установлены на декартовых координатах XY или XZ для покрытия больших площадей, например, для шлифовки сварных деталей или отделки корабля. Приводы с ремнями, армированными металлом, позволяют Macron Dynamics делать эти системы невероятно длинными и подходящими для полезной нагрузки до 2200 фунтов (1000 кг). Эта механика в сочетании с редукторами и двигателями с большим передаточным числом, которым не нужно помещаться в тонкий корпус робота, означает, что декартовы роботы могут с легкостью справляться с самыми большими и тяжелыми задачами.

Масштабируемость по охвату (длине)

Клиенты Futura Automation пользуются преимуществами гибкости и масштабируемости индивидуальных декартовых роботов. Можно построить декартову систему, длина которой равна конструктивному пролету здания. Партнер Futura, компания Macron Dynamics, обеспечит армирование пултрузионной балки из стекловолокна для горизонтального пролета. Также возможно усилить линейный привод стальными двутавровыми балками для более длинных пролетов и более тяжелых нагрузок. Возможна горизонтальная ось X или Y высотой 200 футов (60 м), а также ось Z высотой 60 футов (20 м). Декартиан также может включать в себя привод тета-оси для вращения на конце оси Z или вертикальной оси или обеспечивать движение запястья.

Широкий диапазон полезной нагрузки

Портальные платформы, в которых используются армированные сталью ленты, а также пултрузионные балки из стекловолокна или стальные двутавровые балки, могут выдерживать нагрузки в тысячи фунтов, конкурируя с самыми сильными (и очень дорогими) шарнирными роботизированными манипуляторами. К серводвигателю-редуктору можно применить встроенный механический тормоз для удержания нагрузки по вертикальной оси даже при отключенном питании. Macron Dynamics также предлагает свою систему CLAWS в качестве устройства безопасности для защиты от неконтролируемых вертикальных нагрузок.

Стоимость декартова робота

Мы узнали, что декартовы роботы хорошо масштабируются. Это означает, что их затраты также хорошо масштабируемы. В 2023 году стоимость полной декартовой роботизированной системы, включая сервоприводы и средства управления, будет варьироваться от 20 000 долларов США для небольшой системы до 200 000 долларов США и более для очень большой системы. Но при прочих равных условиях радиус действия и полезная нагрузка при использовании декартова робота для проекта будут дешевле, чем использование другого сопоставимого форм-фактора промышленного робота, например шестиосного, для того же проекта, с таким же радиусом действия и полезной нагрузкой. Основной причиной этого является использование стандартизированных профилей и готовых сервоприводов, а не литых механических рычагов со специальными сервоприводами, циклоидальной передачей и специальными подшипниками, которые требуются для шарнирных рычагов. Основными переменными затрат для проектов декартовых роботов являются:

• Размер и скорость проекта (длина привода и грузоподъемность), а также необходимость какой-либо усиливающей надстройки
• Сложность применения (какие типы специализированных захватов или дополнительных тета-осей требуются)
• Тип управления, связи и человеко-машинного интерфейса (HMI), необходимый для работы
• Требуемый уровень точности, который может даже потребовать гибридного винтового привода с нулевым люфтом по одной или нескольким осям.
• Необходимы ли защитные ограждения или датчики для обеспечения защиты.

Резюме:когда декартовы роботы побеждают шарнирно-сочлененные, дельта- или SCARA-роботы?

Теперь вы немного знаете о декартовых роботах и их применении. Итак, когда они подойдут вам и вашему проекту? Мы можем помочь вам ответить на эти вопросы. Но вкратце, вот основные соображения:

• Вы ищете снижения затрат или увеличения пропускной способности?
• Является ли полезная нагрузка или радиус действия большой проблемой для шарнирно-сочлененной руки или руки SCARA?
• Какая точность/точность требуется для приложения?
• Каков профиль скорости в зависимости от нагрузки, т.е. каковы требования к инерции и крутящему моменту?

Поскольку проектирование декартового робота начинается с чистого листа, важно правильно согласовать инерцию при выборе двигателя и коробки передач. Futura Automation поможет с согласованием инерции, когда мы предоставим рекомендации по проектированию проектов наших клиентов. Вот документ отраслевой ассоциации «А3», в котором подробно описывается важность согласования импедансов. Также имеется видеоруководство по согласованию инерции:https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Как Futura Automation может поддержать ваш проект

Свяжитесь с нами по адресу:sales@futura-automation.com