Cos'è un robot cartesiano? 9 risposte che dovresti sapere

Cos'è un robot cartesiano? | Sistema robotico cartesiano

Definizione di robot cartesiano

Un robot cartesiano o un robot a coordinate cartesiane (noto anche come robot lineare) è un robot industriale con tre assi di controllo primari che sono tutti lineari (nel senso che viaggiano lungo una linea retta anziché rotanti) e reciprocamente perpendicolari l'uno all'altro. Le 3 articolazioni scorrevoli consentono di muovere il polso su-giù, dentro e fuori e avanti e indietro. Nello spazio 3D, è incredibilmente affidabile e preciso. È anche utile per il movimento orizzontale e l'accatastamento di contenitori come sistema di coordinate del robot.

Progettazione robotica cartesiana | Robot a coordinate cartesiane

Configurazioni robot cartesiane

Per comprendere il meccanismo di progettazione di un Robot cartesiano, una delle prime cose da comprendere è il concetto di Joint Topology. Un bersaglio mobile è legato a una base di manipolatori seriali da una catena continua di maglie e giunti. Il bersaglio mobile è collegato alla parte inferiore di manipolatori paralleli da diverse catene (arti). La maggior parte delle coordinate cartesiane i robot usano un mix di seriale e parallelo relativi collegamenti. Qualsiasi robot a coordinate cartesiane, invece, è totalmente connesso in parallelo.

Poi entra in gioco il grado di libertà. I robot a coordinate cartesiane manipolano comunemente strutture con solo gradi di libertà T di traslazione lineare poiché i giunti prismatici a P a funzionamento lineare li azionano. D'altra parte, pochi robot con coordinate cartesiane hanno anche gradi di libertà R rotazionali.

La disposizione degli assi è una delle prime cose da determinare quando si costruisce un robot cartesiano, non solo per eseguire i movimenti necessari ma anche per garantire che il dispositivo abbia un'adeguata rigidità, che può influire sulla capacità di carico, sulla precisione di viaggio e sulla precisione di posizionamento .

Alcune applicazioni che richiedono il movimento delle coordinate cartesiane sono ben assistite da un robot gantry che da un metodo cartesiano, principalmente se l'asse Y prevede una corsa lunga o se la procedura cartesiana posizionerà momenti sostanziali sugli assi. Può essere necessario un dispositivo gantry con doppio asse X o doppio asse Y per evitare flessioni o vibrazioni non necessarie in queste situazioni.

Un livello lineare, costituito da un attuatore lineare geometricamente parallelo a cuscinetti lineari, viene solitamente utilizzato per ciascun asse di un robot a coordinate cartesiane e l'attuatore lineare è solitamente montato tra 2 cuscinetti lineari distanziati per il carico del momento posteriore. Un tavolo XY è costituito da due fasi lineari perpendicolari impilate l'una sull'altra.

Robot industriali cartesiani | Pick and Place Robot cartesiano | Robot cartesiano a portale

Scegli e posiziona applicazioni, come l'uso in laboratorio, traggono vantaggio dalla costruzione a sbalzo perché i componenti sono facilmente accessibili. I robot gantry sono robot a coordinate cartesiane con membri orizzontali supportati ad entrambe le estremità; fisicamente, sono simili alle gru a cavalletto, che non sono necessariamente robot. I robot a portale sono spesso giganteschi e in grado di trasportare carichi pesanti.

Differenza tra robot Gantry e cartesiani

Un robot cartesiano ha un attuatore lineare su ciascun asse, mentre un robot gantry ha due assi di base (X) e un secondo asse (Y) che li attraversa. Questo design ferma il 2^nd l'asse è a sbalzo (ne parleremo più avanti) e consente lunghezze di corsa ancora più lunghe nei portali e un carico utile maggiore rispetto al robot cartesiano.

Il più comune dei robot cartesiani utilizza il design a doppia guida perché fornisce una protezione più eccellente per i carichi sospesi (momenti); tuttavia, gli assi con doppia guida lineare hanno un ingombro maggiore rispetto agli assi con singola guida, rispetto ai sistemi a doppia guida generalmente corti (in direzione verticale) e possono eliminare l'interazione con altre aree della macchina. L'argomento è che il tipo di assi che hai scelto ha un impatto non solo sull'efficienza del sistema cartesiano ma anche sull'ingombro complessivo.

Attuatori robotici cartesiani

Se un meccanismo cartesiano è la scelta migliore, il seguente fattore di progettazione di solito è l'unità di controllo dell'attuatore, che può essere un sistema a bullone, vite o pneumatico. Gli attuatori lineari sono generalmente disponibili con una guida lineare singola o doppia a seconda del sistema di azionamento.

Controllo e gestione dei cavi

Il controllo del cavo è un'altra caratteristica essenziale di questo progetto di robot che viene spesso ignorato nelle fasi iniziali (o semplicemente rinviato a fasi successive del piano). Per controllo, aria (per assi pneumatici), ingresso encoder (per cartesiano servocomandato), sensore, e altri apparati elettrici, ogni asse prevede più cavi.

Quando sistemi e componenti sono collegati tramite l'IIoT (Industrial Internet of Things), i metodi e gli strumenti utilizzati per collegarli diventano molto più critici ed entrambi questi tubi, fili e connettori devono essere instradati in modo appropriato e mantenuti per evitare un affaticamento prematuro dovuto a flessione o interruzione per interferenza con altri componenti del dispositivo.

Il tipo e la quantità di cavi richiesti, nonché la sofisticazione della gestione dei cavi, sono tutti determinati dal tipo di controllo e dal protocollo di rete. Si noti che il portacavi, i vassoi o gli alloggiamenti del sistema di gestione dei cavi influenzeranno le misurazioni del sistema totale, quindi assicurarsi che non vi siano conflitti con il sistema di cablaggio e il resto dei componenti robotici.

Controlli robot cartesiani

I robot cartesiani sono il metodo preferito per eseguire movimenti punto a punto, ma possono anche eseguire movimenti complessi interpolati e contornati. Il tipo di movimento necessario specificherà il miglior dispositivo di controllo, protocollo di rete, HMI e altri componenti di movimento per il sistema.

Sebbene questi componenti siano posizionati indipendentemente dagli assi del robot, per la maggior parte avranno un impatto sui motori, sui cavi e su altri componenti elettrici sull'asse necessari. Questi elementi in asse influenzerebbero le prime due considerazioni di progettazione, il posizionamento e il controllo del cavo.

Di conseguenza, il processo di progettazione chiude il cerchio, sottolineando l'importanza di costruire un robot cartesiano come un dispositivo elettromeccanico interconnesso piuttosto che un insieme di parti meccaniche collegate a hardware e software elettrici.

Busta di lavoro robotica cartesiana

Diverse configurazioni di robot producono forme di inviluppo di lavoro distinte. Questa area di lavoro è cruciale quando si sceglie un robot per un'applicazione specifica perché specifica l'area di lavoro del manipolatore e dell'effettore finale. Per una moltitudine di scopi, è necessario prestare attenzione quando si studia l'involucro di lavoro di un robot:

1. L'inviluppo di lavoro è la quantità di lavoro che può essere avvicinata da un punto all'estremità del braccio robotico, che è tipicamente il centro delle disposizioni di montaggio degli effettori di estremità. Non ha strumenti o pezzi in lavorazione di proprietà dell'end-effector.
2. A volte ci sono posizioni all'interno del campo operativo in cui il braccio del robot non può entrare. Le zone morte sono il nome dato a regioni specifiche.
3. La capacità di carico utile massima citata è ottenibile solo a tali lunghezze del braccio, che possono o meno raggiungere la massima portata.

L'inviluppo operativo della configurazione cartesiana è un prisma rettangolare. All'interno dell'area di lavoro, non ci sono zone morte e il robot può manipolare l'intero carico utile sull'intero volume di lavoro.

Esempi di robot cartesiani

Un plotter da calcolatrice

Robot cartesiano a 3 assi per l'erogazione di cibo per mosche della frutta

Cinematica robotica cartesiana

Il robot cartesiano è essenzialmente un giunto prismatico a tre o un robot PPP. Segue la regola generale di determinare la cinematica diretta e inversa di un manipolatore robotico di collegamento seriale, che può essere trovata qui.

A cosa serve un robot cartesiano? | Applicazioni robotiche cartesiane

Le macchine a controllo numerico computerizzato (macchine CNC) e la stampa 3D sono due applicazioni tipiche dei robot a coordinate cartesiane. Le fresatrici ei plotter utilizzano l'applicazione più semplice, in cui uno strumento, come un router o una penna, si muove attorno a un piano XY e viene sollevato e abbassato su una superficie per produrre un modello specifico.

La robotica a coordinate cartesiane può essere utilizzata anche nelle macchine pick-and-place. I robot cartesiani a portale aereo, ad esempio, vengono utilizzati per caricare e scaricare i componenti utilizzati nella linea di torni CNC, lavorando su tre assi (X, Y, Z) per operazioni di pick and place di carichi pesanti ad alta velocità e con alta precisione.

Vantaggi del robot cartesiano

1. Possono spostare carichi utili pesanti grazie alla loro struttura compatta e alla loro corsa in linea retta.
2. Un singolo controller può controllare molti robot, eliminando la necessità di soluzioni PLC o IO tra diversi controller.
3. Possono trasportare carichi pesanti su lunghe distanze perché hanno corse lunghe di circa 2 metri.
4. Le loro azioni e ruoli sono esatti e ripetibili.
5. I tempi di ciclo sono ridotti a causa della loro rapida velocità di movimento e accelerazione.
6. L'opzione per impostare 2 unità sull'asse Z e ridurre al minimo lo spazio di montaggio.
7. Può essere costruito con praticamente qualsiasi attuatore lineare e diversi meccanismi di azionamento (insieme a cinghia, vite di comando, attuatore o motore lineare).
8. Questa struttura meccanica ha semplificato la soluzione del braccio di controllo del robot, tra le altre cose e se si lavora nello spazio 3D, è altamente affidabile e precisa.

Svantaggi del robot cartesiano

1. D'altra parte, i robot cartesiani hanno svantaggi come la necessità di una grande quantità di spazio per correre e l'impossibilità di lavorare sott'acqua.
2. Quando operano in un ambiente pericoloso, questi robot necessitano anche di una protezione speciale. Un altro aspetto negativo di questo tipo di robot è che di solito è più lento degli altri.
3. Quando l'aria è sporca, è spesso difficile mantenere lo sporco fuori dai componenti scorrevoli.
4. L'uso di un carroponte o di altre attrezzature per la movimentazione dei materiali per accedere all'area di lavoro può essere vietato e la riparazione può essere complicata.

Differenze tra robot cartesiani, a sei assi e SCARA

Carico del robot cartesiano

La capacità di carico di un robot (come specificato dal produttore) deve essere maggiore del peso del carico utile totale all'estremità del braccio robotico con le parti dell'attrezzatura. I robot SCARA e a sei assi sono vincolati perché trasportano carichi su componenti estesi.

Ad esempio, un centro di lavoro che produce gruppi di cuscinetti di peso pari o superiore a 100 kg. Fatta eccezione per i più grandi robot SCARA o a sei assi, il carico utile supera le loro capacità. Un robot cartesiano tradizionale, d'altra parte, può facilmente prelevare e posizionare quei carichi perché il suo telaio di supporto e i cuscinetti supportano l'intera gamma di movimento.

Orientamento del robot cartesiano

La direzione del robot è determinata da come è posizionato e da come posiziona i pezzi o gli oggetti che vengono spinti. Se il piedistallo montato a pavimento o in linea di uno SCARA o di un robot a sei assi causa un ostacolo, tali robot potrebbero non essere la scelta giusta. I robot cartesiani di piccole dimensioni possono essere posizionati sopra la testa e fuori mano se l'applicazione prevede solo la rotazione su pochi assi.

Tuttavia, per la manipolazione di componenti complessi o la funzione che coinvolge quattro o più assi di movimento, la struttura di un robot cartesiano potrebbe essere troppo ostruttiva e un robot SCARA compatto, che può essere piccolo quanto 200 mm2 e quattro bulloni su un piedistallo, forse si adatta meglio .

Velocità del robot cartesiano

I cataloghi dei produttori di robot hanno anche indici di velocità oltre ai coefficienti di carico. I tempi di accelerazione su lunghe distanze sono fondamentali da ricordare quando si prelevano robot per applicazioni pick-and-place. I robot cartesiani possono raggiungere velocità di cinque m/sec o superiori, rivaleggiando con SCARA e robot a sei assi.

Ciclo di lavoro del robot cartesiano

Questo è il tempo necessario per completare un singolo ciclo operativo. I robot che funzionano costantemente 24 ore al giorno, sette giorni alla settimana (come nella scansione ad alta produttività e nella produzione farmaceutica) raggiungono la fine della loro vita utile più velocemente di quelli che funzionano per otto ore cinque giorni alla settimana. Per fermare il potenziale aggravamento, risolvi questi problemi in anticipo e acquista robot con lunghi periodi di lubrificazione e bassi requisiti di manutenzione.

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Esha Chakraborti

Ho un background in ingegneria aerospaziale, attualmente lavoro verso l'applicazione della robotica nel settore della difesa e delle scienze spaziali. Imparo continuamente e la mia passione per le arti creative mi mantiene propenso alla progettazione di nuovi concetti ingegneristici.
Con i robot che sostituiranno quasi tutte le azioni umane in futuro, mi piace portare ai miei lettori gli aspetti fondamentali dell'argomento in modo semplice ma informativo. Mi piace anche tenermi aggiornato contemporaneamente sui progressi nel settore aerospaziale.