Por qué los robots cartesianos (gantry) superan a los brazos articulados: 4 ventajas clave

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) ofrece una gama de soluciones robóticas, de automatización y control de movimiento. El boletín de esta semana de Futura Automation explica los beneficios de los robots cartesianos, especialmente los suministrados por Macron Dynamics, Inc., comparados con otras topologías principales de robots industriales: #Articulados, Delta y SCARA. Este artículo explica los cuatro beneficios principales de los cartesianos:

• Flexibilidad en el diseño
• Alcance (recorrido) sustancialmente mayor
• Mayor capacidad de carga
• Ahorro de costes

La mayoría conoce el brazo robótico de seis ejes (articulado) que se muestra frecuentemente en medios en líneas de soldadura automotriz o para encajado y paletizado. #Los robots Delta son populares para pick-and-place de alto volumen entre dos cintas transportadoras en envasado de alimentos, principalmente. #SCARA o brazos de 4 ejes son otro factor de forma común. SCARA es mejor en pick-and-place de piezas pequeñas en electrónica, envasado médico y productos de consumo pequeños. Las topologías estándar como Articulados y SCARA tienen envolventes de trabajo bien definidas dictadas por sus fabricantes y la mecánica del brazo. ¿Qué pasa si se requiere un movimiento inusual o uno muy alto o muy largo? Para eso ofrecemos robots cartesianos. Los cartesianos, a veces llamados robots gantry, son una topología robótica muy común y simple. Las grúas gantry, por supuesto, preceden a los robots cartesianos automatizados por siglos. Pero el factor de forma es bastante similar. La diferencia es la automatización empleada por los robots gantry para que los movimientos puedan preprogramarse y en algunos casos, asistidos por visión artificial.

¿Qué es un robot cartesiano?

Las impresoras 3D utilizan la topología de robot cartesiano o lineal, ya sea un modelo de escritorio o uno lo suficientemente grande para imprimir una casa usando concreto. Otro ejemplo común es una máquina de pick-and-place usada en fabricación de placas de circuito electrónico, a menudo llamada "chip shooter". Los robots cartesianos de factor de forma más pequeño a menudo se construyen sobre una mesa o sistema de transportador. Típicamente tienen 3 ejes de movimiento. Pueden moverse arriba/abajo, adelante/atrás, e izquierda/derecha. Los cartesianos, como todos los robots, tienen un efectador final que realiza la tarea asignada. Los que realizan las tareas más precisas, normalmente en industrias de semiconductores y ópticas, tienen repetibilidad de menos de un micrón sobre un alcance o vano de menos de 30 centímetros.

Efectadores finales para robots cartesianos pueden incluir:

• Gripper de vacío
• Gripper mecánico
• Cabezal de impresión
• Cabezal de fresado
• Chorro de agua
• Láser de corte
• Herramientas de mezcla o agitación
• Visión artificial

¿Qué industrias usan robots cartesianos?

Dado su amplio abanico de aplicaciones, los robots cartesianos se encuentran en muchas industrias. Los fabricantes en las siguientes industrias comúnmente aprovechan esta tecnología:

• Aeroespacial — Mecanizado y acabado
• Agricultura — Agricultura vertical
• Envase — Encajado y paletizado
• Atendido de máquinas (CNC o Plásticos)
• Electrónica, Óptica y Semiconductores
• Ensamblaje de dispositivos médicos y dispensación farmacéutica
• Multimedia, Equipos de escenario y Publicidad
• Manipulación de alimentos y bebidas

Estos son solo algunos ejemplos. La tecnología cartesiana existe desde hace mucho tiempo. Por esto, hay muchas aplicaciones probadas y verdaderas para estos robots. También son simples de entender y reprogramar para operadores. Esto los hace amigables para quienes son nuevos en la automatización. Estos fabricantes a menudo tienen los tipos de aplicaciones en los que los robots cartesianos pueden destacar.

Aplicaciones típicas de robots cartesianos

Los robots cartesianos son la solución correcta en muchas aplicaciones y para otras, un robot lineal sería una mala elección. La limitación clave para un cartesiano es el rango de movimiento limitado, especialmente el eje de cintura o Articulación 1 (J1) y la acción de muñeca o J5 y el giro J6 en robots articulados. Los robots de seis ejes pueden doblarse y girar en todo tipo de posiciones. Si el material debe manipularse o rotar en un ángulo, ya sea recogiendo o colocando, soldando, pintando o dispensando, entonces los brazos articulados tienen más sentido. Los robots cartesianos son mucho más rígidos en su movimiento sin movimiento rotatorio, excepto con un posible actuador rotatorio en el efectador final. Esto puede parecer una limitación, y lo puede ser. Pero también es una ventaja en aplicaciones diseñadas de forma planar, como colocar, clasificar o apilar producto en una plataforma o transportador. Esta cualidad planar de los robots lineales conlleva ventajas que les permiten superar a otros tipos de robots para ciertas aplicaciones. Aquí hay algunos ejemplos:

• Atendido de máquinas CNC
• Impresión 3D
• Corte por plasma/laser de metal
• Atornillado
• Dispensación
• Manipulación y fresado de madera
• Ensamblaje y prueba de PCB
• Pick-and-place o Clasificación
• Logística — AS/RS para almacenamiento
• Agricultura vertical
• Inspección

Hay algunas razones por las que los robots cartesianos pueden destacar en estas aplicaciones. Primero, estas aplicaciones se realizan comúnmente en un plano o dimensión. Por ejemplo, un robot cartesiano láser tiene la tarea de cortar una forma de una lámina de metal. La lámina está plana sobre la superficie de corte. El robot realiza sus movimientos comandados para cortar la forma. Este movimiento no requiere que el robot gire en ángulos especiales o rote al lado de la pieza. Todo es movimiento arriba/abajo, adelante/atrás, e izquierda/derecha. Algunos robots cartesianos tendrán un eje rotatorio adicional en el efectador final. Si se requiere flexibilidad y rango de movimiento significativos, otro tipo de robot podría ser mejor.

Flexibilidad en el diseño

Los robots cartesianos son la plataforma robótica más escalable disponible. Esta escalabilidad está tanto en su tamaño físico potencial como en su resistencia final. Pueden ser tan pequeños como la palma de la mano y tan grandes como un almacén. Los cartesianos muy pequeños a menudo se llaman "etapas multi-eje" y se usan para fotolitografía, dispensación, colocación o corte láser de precisión de micras en electrónica. También hay grandes robots cartesianos hoy de 50 metros (164 pies) de largo o más. Una aplicación común de "cartesiano grande" son Unidades de Transferencia de Robot, o "7º Eje" simple como se conocen comúnmente. Los robots articulados también pueden montarse en un cartesiano XY o XZ para cubrir grandes áreas, como podría usarse para rectificado de soldaduras o acabado de un barco. Los actuadores de correa reforzados con metal permiten a Macron Dynamics hacer estos sistemas increíblemente largos y adecuados para cargas de hasta 2200 lbs (1000 kg). Estas mecánicas, además de cajas de cambios de gran relación y motores que no tienen que caber dentro de una delgada carcasa de cuerpo de robot, significan que los robots cartesianos pueden manejar las tareas más grandes y pesadas con facilidad.

Escalabilidad en alcance (longitud)

Los clientes de Futura Automation cosechan los beneficios de la flexibilidad y escalabilidad de robots cartesianos personalizados. Es posible construir un cartesiano tan largo como el vano estructural de un edificio. El socio de Futura, Macron Dynamics, proporcionará refuerzo de viga de pultrusión de fibra de vidrio para el vano horizontal. También es posible reforzar el actuador lineal con vigas en I de acero para vanos más largos y cargas más pesadas. Un eje horizontal X o Y de 200 pies (60 m) es una posibilidad, al igual que un eje Z vertical de 60 pies (20 m). Un cartesiano también puede incorporar un accionamiento de eje theta para rotación en el extremo del eje Z o vertical o proporcionar acción de muñeca.

Amplia gama de cargas útiles

Los gantries usando correas reforzadas con acero y reforzados por vigas de pultrusión de fibra de vidrio o vigas en I de acero, pueden manejar cargas de miles de libras rivalizando con los brazos articulados más fuertes (y muy caros). Es posible aplicar un freno mecánico integrado a un servomotor-reductor para mantener una carga en un eje vertical, incluso con la energía removida. Macron Dynamics también ofrece su sistema CLAWS como dispositivo de seguridad para proteger contra cargas verticales incontroladas.

Coste de un robot cartesiano

Hemos aprendido que los robots cartesianos son altamente escalables. Esto significa que sus costes también son altamente escalables. En 2023, el coste de un sistema completo de robot cartesiano, incluyendo servodrives y controles, variará desde $20,000 para un sistema pequeño hasta $200,000 o más para uno muy grande. Pero todo lo demás igual, el alcance y la carga útil, usar un robot cartesiano para un proyecto será menos costoso que usar otro factor de forma industrial comparable, como uno de seis ejes para el mismo proyecto, con el mismo alcance y carga. La razón principal es el uso de extrusiones estandarizadas y servos estándar en lugar de brazos mecánicos fundidos con servos personalizados, engranajes cicloidales y rodamientos personalizados como requieren los brazos articulados. Las variables de coste principales para proyectos de robots cartesianos son:

• Tamaño y velocidad del proyecto (longitudes de actuador y capacidades de carga) y si se requiere superestructura de refuerzo
• Complejidad de la aplicación (qué tipos de grippers especializados o ejes theta adicionales se requieren)
• Tipo de control, comunicaciones e interfaz hombre-máquina (HMI) requeridos para operación
• Nivel de precisión requerido, que podría incluso requerir un híbrido de husillo a cero backlash en uno o más ejes
• Si se requiere vallado de seguridad o sensores para proporcionar protección

Resumen: ¿Cuándo ganan los robots cartesianos sobre articulados, Delta o SCARA?

Ahora conoce un poco sobre robots cartesianos y sus aplicaciones. Entonces, ¿cuándo son adecuados para usted y su proyecto? Podemos ayudarle a responder estas preguntas. Pero en resumen, aquí están las consideraciones principales:

• ¿Busca reducciones de coste o aumentos de rendimiento?
• ¿La carga útil o el alcance son un gran reto para un brazo articulado o SCARA?
• ¿Qué precisión/exactitud se requiere para la aplicación?
• ¿Cuál es el perfil de velocidad versus la carga, es decir, cuáles son los requisitos de inercia y par de accionamiento?

Al tener una hoja en blanco para diseñar un robot cartesiano, es importante igualar correctamente la inercia al seleccionar motor y reductor. Futura Automation ayudará con el matching de inercia cuando proporcionemos nuestra guía de diseño para proyectos de clientes. Aquí hay un documento de la asociación industrial "A3" que describe exhaustivamente la importancia del matching de impedancia. Una guía en video para matching de inercia también está disponible: https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Cómo Futura Automation puede apoyar su proyecto

Contáctenos en: sales@futura-automation.com