Por que os robôs cartesianos (pórtico) superam os braços articulados:4 principais vantagens

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) fornece uma variedade de soluções robóticas, de automação e controladas por movimento. O boletim informativo desta semana da Futura Automation explica os benefícios dos robôs cartesianos, especialmente aqueles fornecidos pela Macron Dynamics, Inc., em comparação com outras principais topologias de robôs industriais:#Articulado, Delta e SCARA. Este artigo explicará os quatro principais benefícios dos cartesianos:

• Flexibilidade no design
• Alcance substancialmente maior (viagens)
• Maior carga útil
• Economia de custos

A maioria das pessoas conhece o braço robótico de seis eixos (articulado) mostrado frequentemente em mídias em linhas de soldagem automotiva ou para embalagem de caixas e paletização. Os robôs #Delta são populares para coleta e colocação de grandes volumes entre duas correias transportadoras em embalagens de alimentos, principalmente. #SCARA ou braços de 4 eixos são outro formato comum para robôs industriais. SCARA é melhor na coleta e colocação de pequenas peças em eletrônicos, embalagens médicas e pequenos produtos de consumo. Topologias de robôs padrão como Articulado e SCARA possuem envelopes de trabalho bem definidos, ditados por seus fabricantes e pela mecânica do braço. E se for necessário um movimento incomum ou muito alto ou muito longo? Para isso podemos oferecer robôs cartesianos. Cartesianos, às vezes chamados de robôs de pórtico, são uma topologia robótica muito comum e simples. Os guindastes de pórtico, é claro, são séculos anteriores aos robôs cartesianos automatizados. Mas o formato é bastante semelhante. O diferencial é a automação empregada pelos robôs pórticos para que os movimentos possam ser pré-programados e, em alguns casos, auxiliados por visão mecânica.

O que é um robô cartesiano?

As impressoras 3D utilizam a topologia de robô cartesiano ou linear, seja um modelo de mesa ou grande o suficiente para imprimir uma casa usando concreto. Outro exemplo comum é uma máquina pick and place usada na fabricação de placas de circuito eletrônico, geralmente chamada de “disparador de chips”. Robôs cartesianos de formato menor geralmente são construídos sobre uma mesa ou sistema transportador. Eles normalmente terão 3 eixos de movimento. Eles podem mover-se para cima/para baixo, para frente/para trás e para a esquerda/direita. Os cartesianos, como todos os robôs, possuem um efetor final que executa a tarefa atribuída. Os cartesianos que executam as tarefas mais precisas, normalmente nas indústrias de semicondutores e ópticas, têm repetibilidade de menos de um mícron em um alcance ou extensão inferior a 30 centímetros.

End Effectors para robôs cartesianos podem incluir:

• Garra a vácuo
• Garra Mecânica
• Cabeça de impressão
• Cabeça do roteador
• Jato de água
• Corte a laser
• Ferramentas para misturar ou mexer
• Visão mecânica

Quais indústrias usam robôs cartesianos?

Por terem uma ampla gama de aplicações, os robôs cartesianos são encontrados em muitas indústrias. Os fabricantes dos seguintes setores geralmente aproveitam esta tecnologia:

• Aeroespacial – Usinagem e Acabamento
• Agricultura – Agricultura Vertical
• Embalagem – Embalagem e paletização de caixas
• Atendimento de máquinas (CNC ou plásticos)
• Eletrônicos, Ópticos e Semicondutores
• Montagem de dispositivos médicos e distribuição de produtos farmacêuticos
• Multimídia, equipamento de palco e publicidade
• Manuseio de alimentos e bebidas

Estes são apenas alguns dos muitos exemplos. A tecnologia cartesiana já existe há muito tempo. Por causa disso, existem muitas aplicações testadas e comprovadas para esses robôs. Eles também são simples de entender e reprogramar para os operadores. Isso os torna fáceis de usar para quem é novo na automação. Esses fabricantes geralmente possuem tipos de aplicações nas quais os robôs cartesianos podem se destacar.

Aplicações Típicas de Robôs Cartesianos

Os robôs cartesianos são a solução correta em muitas aplicações e para outras, um robô linear seria uma má escolha. A principal limitação para um cartesiano é a amplitude de movimento limitada, especialmente o eixo da cintura ou Articulação 1 (J1) e a ação do pulso ou J5 e o J6 rotativo em robôs articulados. Os robôs de seis eixos podem dobrar e girar em todos os tipos de posições. Se o material precisar ser manuseado ou girado em um ângulo, seja coletando ou colocando, soldando, pintando ou distribuindo, então os braços articulados fazem mais sentido. Os robôs cartesianos são muito mais rígidos em seu movimento, sem movimento rotativo, exceto com um possível atuador rotativo no efetor final. Isso pode parecer uma limitação, e pode ser. Mas também é uma vantagem em aplicações projetadas de forma plana, como colocação, classificação ou empilhamento de produtos em uma plataforma ou transportador. Esta qualidade planar dos robôs lineares traz vantagens que lhes permitem um desempenho melhor do que outros tipos de robôs para determinadas aplicações. Aqui estão alguns exemplos:

• Atendimento de máquinas CNC
• Impressão 3D
• Corte a plasma/laser de metal
• Parafusamento
• Distribuição
• Manuseio e roteamento de madeira
• Montagem e teste de PCB
• Escolher e posicionar ou Classificar
• Logística – AS/RS para armazenamento
• Agricultura vertical
• Inspeção

Existem algumas razões pelas quais os robôs cartesianos podem se destacar nessas aplicações. Primeiro, essas aplicações são comumente executadas em um plano ou dimensão. Por exemplo, um robô cartesiano a laser tem a tarefa de cortar uma forma de uma folha de metal. A folha de metal é colocada plana na superfície de corte. O robô executa seus movimentos comandados para cortar a forma da peça. Este movimento não exige que o robô gire em ângulos especiais ou gire para o lado da peça. É tudo movimento para cima/baixo, para frente/trás e para esquerda/direita. Alguns robôs cartesianos terão um eixo rotativo adicional no efetor final. Se for necessária flexibilidade e amplitude de movimento significativas, outro tipo de robô pode ser melhor.

Flexibilidade no design

Os robôs cartesianos são a plataforma robótica mais escalável disponível. Essa escalabilidade está tanto no tamanho físico potencial quanto na resistência final. Os robôs cartesianos podem ser tão pequenos quanto a palma da sua mão e tão grandes quanto um armazém. Cartesianos muito pequenos são frequentemente chamados de “estágios multieixos” e são usados ​​para fotolitografia com precisão de mícron, distribuição, posicionamento ou corte a laser em eletrônica. Existem também hoje grandes robôs cartesianos com 50 metros (164 pés) de comprimento ou mais. Uma aplicação “cartesiana grande” comum são as Unidades de Transferência de Robôs, ou “7º Eixo” único, como são comumente conhecidas. Robôs articulados também podem ser montados em um cartesiano XY ou XZ para cobrir grandes áreas, como podem ser usados ​​para retificação de soldagens ou acabamento de um navio. Os atuadores de correia reforçados com metal permitem que a Macron Dynamics torne esses sistemas incrivelmente longos e adequados para cargas úteis de até 1.000 kg (2.200 lb). Essa mecânica, além de caixas de engrenagens e motores de grande proporção que não precisam caber dentro de uma carcaça fina de robô, significa que os robôs cartesianos podem lidar com as tarefas maiores e mais pesadas com facilidade.

Escalabilidade no alcance (comprimento)

Os clientes da Futura Automation colhem os benefícios da flexibilidade e escalabilidade dos robôs cartesianos customizados. É possível construir um cartesiano tão longo quanto o vão estrutural de um edifício. A parceira da Futura, Macron Dynamics, fornecerá reforço de vigas de pultrusão de fibra de vidro para o vão horizontal. Também é possível reforçar o atuador linear com vigas I de aço para vãos maiores e cargas mais pesadas. Um eixo X ou Y horizontal de 200 pés (60 m) é uma possibilidade, assim como um eixo Z de 60 pés (20 m) de altura. Um cartesiano também pode incorporar um acionamento do eixo teta para rotação na extremidade do eixo Z ou vertical ou fornecer uma ação de pulso.

Ampla variedade de cargas úteis

Pórticos que usam correias reforçadas com aço e quando reforçados com vigas de pultrusão de fibra de vidro ou vigas I de aço podem suportar cargas de milhares de libras, rivalizando com os braços robóticos articulados mais fortes (e muito caros). É possível aplicar um freio mecânico integrado a um servomotorredutor para manter uma carga em um eixo vertical, mesmo com a alimentação removida. A Macron Dynamics também oferece o seu sistema CLAWS como dispositivo de segurança para proteção contra cargas verticais não controladas.

Custo de um Robô Cartesiano

Aprendemos que os robôs cartesianos são altamente escaláveis. Isso significa que seus custos também são altamente escalonáveis. Em 2023, o custo de um sistema robótico cartesiano completo, incluindo servoacionamentos e controles, variará de US$ 20.000,00 para um sistema pequeno, até US$ 200.000,00 ou mais para um sistema muito grande. Mas se tudo o mais for igual, o alcance e a carga útil, usando um robô cartesiano para um projeto, serão mais baratos do que usar outro formato de robô industrial comparável, como seis eixos para o mesmo projeto, para o mesmo alcance e carga útil. A principal razão para isso é o uso de extrusões padronizadas e servos prontos para uso, em vez de braços mecânicos fundidos com servos personalizados, engrenagens cicloidais e rolamentos personalizados, como são necessários para braços articulados. As principais variáveis de custo para projetos de robôs cartesianos são:

• Tamanho e velocidade do projeto (comprimentos do atuador e capacidades de carga útil) e se alguma superestrutura de reforço é necessária
• Complexidade da aplicação (quais tipos de pinças especializadas ou eixos teta adicionais são necessários)
• Tipo de controle, comunicações e homem-máquina (HMI) necessário para operação
• Nível de precisão necessário, o que pode até exigir uma chave de fenda híbrida sem folga em um ou mais eixos
• Se são necessárias cercas de segurança ou sensores para fornecer proteção

Resumo:Quando os Robôs Cartesianos Vencem os Robôs Articulados, Delta ou SCARA?

Agora você sabe um pouco sobre robôs cartesianos e suas aplicações. Então, quando eles são adequados para você e seu projeto? Podemos ajudá-lo a responder a essas perguntas. Mas resumindo, aqui estão as principais considerações:

• Você está procurando reduções de custos ou aumentos de produtividade?
• A carga útil ou o alcance são um grande desafio para um braço articulado ou SCARA?
• Qual precisão/exatidão é necessária para a aplicação?
• Qual é o perfil de velocidade em relação à carga, ou seja, quais são os requisitos de inércia e torque do acionamento?

Como existe uma lousa em branco para projetar um robô cartesiano, é importante combinar corretamente a inércia ao selecionar o motor e a caixa de engrenagens. A Futura Automation ajudará na correspondência de inércia quando fornecermos orientação de design para os projetos de nossos clientes. Aqui está um documento da associação industrial “A3” que descreve detalhadamente a importância da correspondência de impedâncias. Também é fornecido um guia de vídeo para correspondência de inércia:https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Como a Futura Automation pode apoiar seu projeto

Contate-nos em:sales@futura-automation.com