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

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

• Flexibilidad en el diseño
• Alcance sustancialmente mayor (viajes)
• Mayor carga útil
• Ahorro de costes

La mayoría de la gente conoce el brazo robótico (articulado) de seis ejes que se muestra con frecuencia en medios de comunicación en líneas de soldadura de automóviles o para embalaje de cajas y paletizado. Los robots #Delta son populares para recoger y colocar grandes volúmenes entre dos cintas transportadoras en envases de alimentos, principalmente. #SCARA o brazos de 4 ejes son otro factor de forma común para los robots industriales. SCARA es mejor para recoger y colocar piezas pequeñas en productos electrónicos, envases médicos y productos de consumo pequeños. Las topologías de robots estándar como Articulated y SCARA tienen ámbitos de trabajo bien definidos dictados por sus fabricantes y la mecánica del brazo. ¿Qué pasa si se requiere un movimiento inusual o uno que sea muy alto o muy largo? Para eso podemos ofrecer robots cartesianos. Los cartesianos, a veces llamados robots pórtico, son una topología robótica muy común y simple. Las grúas pórtico, por supuesto, son anteriores en siglos a los robots cartesianos automatizados. Pero el factor de forma es bastante similar. La diferencia es la automatización empleada por los robots pórtico para que los movimientos puedan ser preprogramados y, en algunos casos, asistidos por visión artificial.

¿Qué es un robot cartesiano?

Las impresoras 3D utilizan la topología de robot cartesiana o lineal, ya sea un modelo de escritorio o uno lo suficientemente grande como para imprimir una casa con hormigón. Otro ejemplo común es una máquina de recogida y colocación utilizada en la fabricación de placas de circuitos electrónicos, a menudo denominada "disparador de chips". Los robots cartesianos de formato más pequeño suelen construirse sobre una mesa o un sistema transportador. Normalmente tendrán 3 ejes de movimiento. Pueden moverse hacia arriba/abajo, adelante/atrás e izquierda/derecha. Los cartesianos, como todos los robots, tienen un efector final que realiza la tarea asignada. Los cartesianos que realizan las tareas más precisas, normalmente en las industrias óptica y de semiconductores, tienen una repetibilidad de menos de una micra en un alcance o envergadura de menos de 30 centímetros.

Los efectores finales para robots cartesianos pueden incluir:

• Pinza de vacío
• Pinza mecánica
• Cabezal de impresora
• Cabezal del enrutador
• Chorro de agua
• Corte por láser
• Herramientas para mezclar o revolver
• Visión artificial

¿Qué industrias utilizan robots cartesianos?

Dado que tienen una amplia gama de aplicaciones, los robots cartesianos se encuentran en muchas industrias. Los fabricantes de las siguientes industrias suelen aprovechar esta tecnología:

• Aeroespacial:mecanizado y acabado
• Agricultura – Agricultura vertical
• Embalaje:embalaje y paletizado de cajas
• Tienda de máquinas (CNC o plásticos)
• Electrónica, Óptica y Semiconductores
• Ensamblaje de dispositivos médicos y dispensación farmacéutica
• Multimedia, equipamiento escénico y publicidad
• Manipulación de alimentos y bebidas

Estos son sólo algunos de los muchos ejemplos. La tecnología cartesiana existe desde hace mucho tiempo. Debido a esto, existen muchas aplicaciones probadas y verdaderas para estos robots. También son fáciles de entender y reprogramar para los operadores. Esto los hace fáciles de usar para quienes son nuevos en la automatización. Estos fabricantes suelen tener los tipos de aplicaciones en las que los robots cartesianos pueden sobresalir.

Aplicaciones típicas de los 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 limitado de movimiento, especialmente el eje de la cintura o articulación 1 (J1) y la acción de la muñeca o J5 y la J6 giratoria en robots articulados. Los robots de seis ejes pueden doblarse y girar en todo tipo de posiciones. Si el material debe manipularse o rotarse en ángulo, ya sea recogiendo o colocando, soldando, pintando o dosificando, entonces los brazos articulados tienen más sentido. Los robots cartesianos son mucho más rígidos en su movimiento sin movimiento giratorio, excepto con un posible actuador giratorio en el efector final. Esto puede parecer una limitación y puede serlo. Pero también es una ventaja en aplicaciones diseñadas de forma plana, como colocar, clasificar o apilar productos en una plataforma o transportador. Esta calidad plana de los robots lineales conlleva ventajas que les permiten funcionar mejor que otros tipos de robots para determinadas aplicaciones. A continuación se muestran algunos ejemplos:

• Cuidado de máquinas CNC
• Impresión 3D
• Corte por plasma/láser de metales
• Destornillador
• Dispensación
• Manipulación y fresado de madera
• Montaje y prueba de PCB
• Seleccionar y colocar o ordenar
• Logística:AS/RS para almacenamiento
• Cultivo vertical
• Inspección

Existen algunas razones por las que los robots cartesianos pueden sobresalir en estas aplicaciones. Primero, estas aplicaciones comúnmente se realizan en un plano o dimensión. Por ejemplo, un robot cartesiano láser tiene la tarea de cortar una forma a partir de una lámina de metal. La lámina de metal se coloca plana sobre la superficie de corte. El robot realiza sus movimientos ordenados para cortar la forma de la pieza. Este movimiento no requiere que el robot gire en ángulos especiales ni gire hacia el costado de la pieza. Todo es movimiento arriba/abajo, adelante/atrás e izquierda/derecha. Algunos robots cartesianos tendrán un eje giratorio adicional en el efector final. Si se requiere flexibilidad y rango de movimiento significativos, entonces otro tipo de robot podría ser lo mejor.

Flexibilidad en el Diseño

Los robots cartesianos son la plataforma robótica más escalable disponible. Esta escalabilidad radica tanto en su tamaño físico potencial como en su fuerza máxima. Los robots cartesianos pueden ser tan pequeños como la palma de tu mano y tan grandes como un almacén. Los cartesianos muy pequeños a menudo se denominan “etapas multieje” y se utilizan para fotolitografía, dispensación, colocación o corte por láser con precisión de micras en electrónica. También existen hoy en día grandes robots cartesianos que miden 50 metros (164 pies) de largo o más. Una aplicación "cartesiana grande" común son las unidades de transferencia de robots, o el "séptimo eje" único, como se les conoce comúnmente. Los robots articulados también se pueden montar en un cartesiano XY o XZ para cubrir áreas grandes, como podrían usarse para pulir piezas soldadas o terminar un barco. Los actuadores de correa reforzados con metal permiten a Macron Dynamics hacer que estos sistemas sean increíblemente largos y adecuados para cargas útiles de hasta 2200 lb (1000 kg). Esta mecánica, además de las cajas de cambios de gran relación y los motores que no tienen que caber dentro de una carcasa delgada del cuerpo del robot, significa que los robots cartesianos pueden realizar las tareas más grandes y pesadas con facilidad.

Escalabilidad en alcance (longitud)

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

Amplia gama de cargas útiles

Los pórticos que utilizan correas reforzadas con acero y cuando están reforzados con vigas de pultrusión de fibra de vidrio o vigas en I de acero, pueden manejar cargas de miles de libras que rivalizan con los brazos robóticos articulados más fuertes (y muy costosos). Es posible aplicar un freno mecánico integrado a un servomotorreductor para mantener una carga en un eje vertical, incluso sin energía. Macron Dynamics también ofrece su sistema CLAWS como dispositivo de seguridad para proteger contra cargas verticales incontroladas.

Costo de un robot cartesiano

Hemos aprendido que los robots cartesianos son altamente escalables. Esto significa que sus costos también son altamente escalables. En 2023, el coste de un sistema de robot cartesiano completo, incluidos los servoaccionamientos y los controles, variará desde 20.000 dólares para un sistema pequeño hasta 200.000 dólares o más para un sistema muy grande. Pero en igualdad de condiciones, el alcance y la carga útil, utilizar un robot cartesiano para un proyecto, será menos costoso que utilizar otro factor de forma de robot industrial comparable, como uno de seis ejes para el mismo proyecto, para el mismo alcance y carga útil. La razón principal de esto es el uso de extrusiones estandarizadas y servos disponibles en el mercado en lugar de brazos mecánicos fundidos con servos personalizados, engranajes cicloidales y cojinetes personalizados como se requieren para los brazos articulados. Las principales variables de costo para los proyectos de robots cartesianos son:

• Tamaño y velocidad del proyecto (longitudes de actuador y capacidades de carga útil) y si se requiere alguna superestructura de refuerzo
• Complejidad de la aplicación (qué tipos de pinzas especializadas o ejes theta adicionales se requieren)
• Tipo de control, comunicaciones y hombre-máquina (HMI) necesarios para el funcionamiento
• Nivel de precisión requerido, que podría incluso requerir un accionamiento de tornillo híbrido sin juego en uno o más de los ejes
• Si se requieren o no vallas de seguridad o sensores para proporcionar protección

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

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

• ¿Está buscando reducciones de costos o aumentos de rendimiento?
• ¿La carga útil o el alcance son un gran desafío para un brazo articulado o SCARA?
• ¿Qué precisión/exactitud se requiere para la aplicación?
• ¿Cuál es el perfil de velocidad frente a la carga, es decir, cuáles son los requisitos de inercia y par motor?

Como hay borrón y cuenta nueva para diseñar un robot cartesiano, es importante hacer coincidir correctamente la inercia al seleccionar el motor y la caja de cambios. Futura Automation ayudará con la coincidencia de inercia cuando brindemos nuestra guía de diseño para los proyectos de nuestros clientes. Aquí hay un documento de la asociación industrial "A3" que describe detalladamente la importancia de la adaptación de impedancia. También se proporciona una guía en vídeo para la coincidencia de inercia:https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Cómo Futura Automation puede respaldar su proyecto

Contáctenos en:sales@futura-automation.com