Robots cartesianos: sencillos y económicos

El kit de función inteligente para manipulación está diseñado para que sea fácil de especificar, poner en marcha y programar, lo que permite a los ingenieros crear e instalar rápidamente sistemas de manipulación cartesiana personalizados con uno, dos o tres ejes de movimiento. Foto cortesía de Bosch Rexroth Corp.

De los diversos robots utilizados para el montaje automatizado, el robot cartesiano es el menos complejo. También conocido como robot rectilíneo, rectangular o pórtico, un robot cartesiano sólo puede mover su efector final en línea recta a lo largo de los ejes X, Y y Z. Algunos cartesianos tienen un eje de movimiento adicional, en el que el efector final gira alrededor del eje Z o paralelo a él.

Puede que los cartesianos no sean tan “sexys” como un SCARA de alta velocidad o un robot de seis ejes, pero esa es también su principal ventaja. "En muchas aplicaciones, un SCARA o un robot de seis ejes sería excesivo", afirma Brad Klippstein, director de producto de Smart Mechatronix en Bosch Rexroth. “No se necesitan cinco o seis ejes de movimiento para una operación sencilla de recoger y colocar. Y programar un robot de seis ejes es difícil.

"Por el contrario, se puede programar un robot cartesiano en cinco minutos y es fácil realizar cambios en el sistema".

En un robot cartesiano, cada eje es un actuador lineal independiente, que puede ser accionado por un husillo de bolas o una correa. Los robots cartesianos se pueden construir en diseños en voladizo y de pórtico. Cuál elegir depende de los requisitos de longitud, velocidad, carga útil y precisión.

El diseño en voladizo limitará el alcance y la carga útil del robot debido al par sobre los cojinetes de soporte del eje base. Cuanto mayor es la carga útil al final del brazo, mayor es el par que se aplica al eje de la base.

El diseño del pórtico supera esta limitación. Los robots de pórtico mueven los actuadores individuales a lo largo de ejes ortogonales entre sí. Dos cojinetes lineales paralelos sostienen el eje inferior y eliminan así el problema del par excesivo en el eje de la base. Los límites de carga útil y alcance del pueden ampliarse fácilmente sin tener que utilizar actuadores lineales de gran tamaño. La desventaja del diseño del pórtico es que el área de trabajo abierta del robot ahora es menos accesible.

Debido a que un robot cartesiano distribuye las cargas de manera uniforme a través de un marco rígido, puede posicionar con precisión y repetibilidad grandes cargas útiles a altas velocidades. Los cartesianos pueden ponerse en posición gritando y detenerse en un instante.

Con su construcción modular, los robots cartesianos se pueden escalar fácilmente para satisfacer diversas necesidades de desplazamiento y carga útil. Los ejes individuales se pueden reparar o reemplazar rápidamente y todo el sistema se puede desmontar para usarlo en otras aplicaciones de control de movimiento.

El alcance máximo de un robot SCARA suele ser de 1.000 milímetros. Los cartesianos están disponibles con longitudes de recorrido de 3.000 milímetros o más.

Los robots cartesianos compensan velocidad con resolución. Cuanto más fina sea la resolución, más lenta será la velocidad resultante. La repetibilidad varía según el diseño. Los actuadores lineales accionados por husillo de bolas suelen tener una mejor repetibilidad que los actuadores accionados por correa. Entre los robots accionados por husillos de bolas, los husillos rectificados con tuercas de bolas anti-juego son generalmente más precisos y repetibles que los husillos de bolas laminados con tuercas de bolas estándar.

El beneficio de la modularidad y la personalización no viene sin una compensación. Los robots cartesianos son más difíciles de mover que otros robots y es posible que algunos ingenieros no quieran ensamblar, alinear y coordinar los diferentes ejes. Gestionar los cables de control de cada eje puede resultar complicado, aunque las nuevas tecnologías de comunicación de alta velocidad están minimizando este problema. Finalmente, los ingenieros deben tener cuidado al sacar conclusiones sobre la carga útil, la precisión o la repetibilidad del robot basándose en las especificaciones de un componente.

En el pasado, elegir entre robots cartesianos y SCARA era una cuestión de compensaciones. Los cartesianos eran más precisos y menos costosos que los SCARA. Los SCARA eran más rápidos y ocupaban menos espacio que los cartesianos. Hoy en día, los avances tecnológicos han hecho que las dos tecnologías sean comparables tanto en precio como en rendimiento. Como resultado, las distinciones entre ambos son mucho más sutiles.

Los robots cartesianos se pueden construir en diseños en voladizo y de pórtico. Cuál elegir depende de los requisitos de longitud, velocidad, carga útil y precisión. Foto cortesía de Robótica Yamaha

Una cuestión a considerar es la envolvente de trabajo del robot, especialmente cuando el espacio de trabajo es costoso, como en las salas blancas. La envolvente de trabajo de un robot SCARA es revolucionaria, mientras que la de un cartesiano es rectangular. Si colocas un sobre de trabajo giratorio dentro de un área de trabajo cuadrada, no podrás utilizar todo el espacio disponible.

Si todo cabe en una envolvente rectilínea, una cartesiana es buena. Si el robot debe recoger piezas en la posición de las tres y llevarlas a la posición de las 12, un SCARA podría ser una mejor opción.

En comparación con otros tipos de robots, la envolvente de trabajo de los robots cartesianos está bien definida y puede visualizarse fácilmente. Esto es útil si se requiere protección de seguridad. Además, el área de trabajo del robot cartesiano está abierta, por lo que las piezas se pueden colocar fácilmente en el área de trabajo desde tres lados, incluido el "frente", donde se minimiza el riesgo de que el operador sea golpeado.

Los robots cartesianos pueden equiparse con una variedad de efectores finales, incluidos destornilladores, fresadoras, válvulas dispensadoras, cabezales de soldadura y pinzas. Debido a su diseño lineal, los cartesianos pueden transportar cargas útiles más pesadas que los robots SCARA o de seis ejes de tamaño comparable.

Al especificar un cartesiano, los ingenieros deben proporcionar el peso de la carga útil (el efector final y las piezas que transportará), así como la distancia y la velocidad a la que viajará la carga útil. Esto determinará el largo y ancho del marco y el tamaño de los motores. Y, como ocurre con cualquier sistema de control de movimiento, los requisitos de precisión y repetibilidad son fundamentales.

El ciclo de trabajo es otra variable importante. “¿El robot funcionará dos veces por hora o funcionará continuamente durante días?” dice Klippstein.

Los ingenieros también deben especificar cómo y dónde se utilizará el robot. Si los actuadores se ubicarán donde el mantenimiento será difícil, se pueden equipar con cojinetes lubricados permanentemente. Si el robot se apagará y encenderá con frecuencia, los actuadores pueden equiparse con codificadores absolutos para que el robot no tenga que regresar a la posición inicial antes de reanudar la operación.

Los ingenieros tienen una gran cantidad de opciones para los robots cartesianos. Pueden seguir la ruta del "hágalo usted mismo" y construir su propio sistema personalizado a partir de actuadores lineales individuales, o pueden comprar un cartesiano estandarizado de un OEM de robótica como Intelligent Actuator, Janome Industrial Equipment, TM Robotics y Yamaha Robotics.

Algunas empresas, como Ellsworth, Nordson EFD y Techcon, ofrecen robots cartesianos de mesa diseñados específicamente para dispensar adhesivos. Otros, como Fancort, Promation y Apollo Seiko, ofrecen sistemas cartesianos de mesa específicos para soldar.

Uno de los sistemas cartesianos más nuevos es el kit de función inteligente para manipulación de Bosch Rexroth Corp. El kit está diseñado para que sea fácil de especificar, poner en marcha y programar, lo que permite a los ingenieros crear e instalar rápidamente sistemas de manipulación cartesiana personalizados con uno, dos o tres ejes. de movimiento.

Todo comienza con el software gratuito LinSelect de Bosch. El software utiliza interfaces gráficas para guiar a los ingenieros a través del proceso de ingresar parámetros del sistema, como velocidad, carga útil y longitud de carrera por eje. El software proporciona información detallada y opciones sobre características de rendimiento, como la repetibilidad.

Luego, los ingenieros pueden armar su propio sistema a partir de componentes estandarizados, incluidos actuadores, software, variador y motor, con solo unos pocos clics y sin ningún esfuerzo de ingeniería. El software ofrece recomendaciones para diferentes variantes de rendimiento y ajustes de precios.

Los actuadores lineales están disponibles para movimientos de 6 pulgadas o 6 pies y cargas útiles de hasta 100 kilogramos.

Una vez que se ha elegido un diseño, los ingenieros pueden transferir los datos del sistema directamente a un configurador en línea y realizar el pedido. También se genera automáticamente un modelo CAD del sistema. Luego, el sistema se envía completamente ensamblado (actuadores, electrónica, cableado, variadores, motores y software) y listo para integrarse en una máquina o línea de ensamblaje.

"El concepto detrás del kit es ahorrar tiempo de ingeniería", dice Klippstein. “Todos los componentes proceden de un mismo proveedor, por lo que el proceso de puesta en marcha es más sencillo. No es necesario que le enseñe al sistema qué motor y accionamiento tiene. Sabe qué componentes hay. Conoce todos los parámetros del sistema”.

La programación es igual de fácil. "Es una programación de arrastrar y soltar", explica Klippstein. “No es necesario ser un experto en programación de PLC. Se podría enseñar a un niño de 6 años a programar un robot de tres ejes”.

La interfaz basada en navegador es moderna e intuitiva. Los ingenieros pueden programar el sistema a través de una tableta o PC. No es necesaria una HMI independiente.

También se ha abordado la conectividad. El sistema es compatible con varios sistemas de bus de campo y los ingenieros pueden exportar datos de rendimiento a la nube para su análisis.

“Puedes obtener datos bastante granulares, pero sobre todo quieres saber algunas cosas: ¿Está funcionando la máquina? ¿Se ha detenido? Si es así, ¿por qué? ¿Sigue siendo exacto? ¿Cuántas partes se ha movido? dice Klippstein.

Igus ha ampliado su gama de robots pórtico de tres ejes Drylin con un sistema extragrande adecuado para paletizado, clasificación, etiquetado e inspección. El nuevo robot Drylin XXL tiene una envolvente de trabajo que va desde los 2.000 por 2.000 por 1.500 milímetros hasta los 6.000 por 6.000 por 1.500 milímetros. El robot puede transportar una carga útil máxima de 10 kilogramos.

El precio del nuevo robot comienza en 7.000 dólares, incluido el sistema de control. El sistema "hágalo usted mismo" es fácil de configurar y programar sin la ayuda de un integrador de sistemas.

El nuevo robot pórtico Drylin XXL tiene una envolvente de trabajo que va desde los 2.000 por 2.000 por 1.500 milímetros hasta los 6.000 por 6.000 por 1.500 milímetros. Foto cortesía de igus

“Los robots paletizadores creados en colaboración con proveedores de servicios externos cuestan entre 95.000 y 135.000 dólares. Esto está fuera del presupuesto de muchas pequeñas empresas”, afirma Alexander Mühlens, director de la unidad de negocio de automatización de bajo coste de igus. “Por eso hemos desarrollado un producto mucho más rentable gracias al uso de plásticos de alto rendimiento y materiales ligeros, como el aluminio. Por ejemplo, el robot Drylin XXL cuesta entre 7.000 y 10.000 dólares, dependiendo de la etapa de expansión. Es una inversión de bajo riesgo que normalmente se amortiza en unas pocas semanas”.

El kit consta de dos ejes con correa dentada y un eje cantilever de cremallera con motores paso a paso. El paquete también incluye el sistema de control, cables y el software igus Robot Control (iRC). Los ingenieros pueden ensamblar los componentes en un sistema listo para usar en tan solo unas horas. Si se necesitan componentes adicionales, como sistemas de cámaras o pinzas, los ingenieros pueden encontrarlos en el mercado de robótica de la empresa, RBTX.

El nuevo robot es ideal para aplicaciones de paletizado. Por ejemplo, se puede colocar encima de un transportador que transporta piezas lejos de las máquinas de moldeo por inyección. El robot puede recoger piezas del transportador, transportarlas a una velocidad de hasta 500 milímetros por segundo y colocarlas en un palé con una repetibilidad de 0,8 milímetros.

El sistema no requiere mantenimiento. Los ejes lineales están fabricados de aluminio resistente a la corrosión y los carros se mueven mediante cojinetes de deslizamiento fabricados con plástico Iglide de alto rendimiento. Las propiedades autolubricantes de los rodamientos permiten un funcionamiento seco y de baja fricción sin lubricantes externos.

El software iRC permite la programación y el control del robot de forma sencilla e intuitiva. “Para muchas empresas que no cuentan con especialistas en TI internos, la programación de robots suele plantear muchos problemas”, señala Mühlens. “Por eso desarrollamos iRC, una aplicación de software gratuita que visualmente se parece al software de oficina más utilizado y permite una programación intuitiva de los movimientos. Lo que lo hace especial es que el software es gratuito y la programación de código bajo resultante se puede utilizar 1 a 1 en el robot real”.

El núcleo del software es un gemelo digital 3D del robot pórtico, con el que se pueden definir movimientos con sólo unos pocos clics.

"Los posibles compradores pueden comprobar con el modelo 3D si los movimientos deseados son realmente viables antes de realizar la compra", afirma Mühlens. "Hace que la inversión esté prácticamente libre de riesgos".

El robot cartesiano BAIII de TM Robotics es un sistema plug-and-play: todos los cables, cajas de conexiones, soportes, motores y controladores se suministran con los actuadores lineales. Esto significa que no hay necesidad de calibración entre el motor y el actuador o entre el motor y el controlador, lo que ahorra tiempo y dinero y permite a los ingenieros utilizar la máquina tan pronto como esté instalada.

El robot se puede configurar con uno, dos, tres o cuatro ejes de movimiento. La longitud de los ejes lineales oscila entre 50 y 4.450 milímetros.

El robot cartesiano BAIII es un sistema plug-and-play: todos los cables, cajas de conexiones, soportes, motores y controladores se suministran con los actuadores lineales. Foto cortesía de TM Robotics

Todos los modelos cuentan con servomotores de CA y codificadores absolutos, lo que garantiza la precisión y elimina la necesidad de realizar una rutina de posicionamiento inicial. Un modelo de dos ejes puede transportar una carga útil máxima de 100 kilogramos y moverse a una velocidad máxima de 2.000 milímetros por segundo.

Los robots se pueden enviar ensamblados para su uso directamente desde la caja. Además, los actuadores tienen cojinetes libres de aceite para requisitos mínimos de mantenimiento.

"Con esta nueva serie cartesiana, estamos viendo que se ponen más capacidades en manos de nuestros clientes, lo que reduce su necesidad de dedicar tiempo a ingeniería desde el principio", afirma Nigel Smith, director ejecutivo de TM Robotics.

La serie GV de robots de pórtico de Nordson EFD para dispensación automatizada está equipada con el software DispenseMotion y una cámara de visión inteligente CCD integrada o una cámara de lápiz simple para simplificar la configuración y la programación.

La cámara CCD convierte píxeles en valores digitales para ofrecer imágenes precisas y de alta calidad. El software de dosificación patentado confirma la presencia y ubicación de la pieza de trabajo y se ajusta automáticamente a medida que ocurren variaciones durante el proceso.

La serie GV de robots de pórtico para dispensación automatizada está equipada con el software DispenseMotion y un sistema de visión integrado para simplificar la configuración y la programación. Foto cortesía de Nordson EFD

"Con áreas de trabajo que varían de 400 a 800 milímetros y cargas útiles ilimitadas de piezas de trabajo, la serie GV es ideal para la dosificación precisa de fluidos sobre sustratos que requieren áreas de trabajo grandes sin sacrificar la repetibilidad", dice Johnathan Titone, especialista en línea de productos para sistemas de dosificación automatizados en Nordson EFD. . "Está diseñado para funcionar como un sistema independiente o una solución automatizada, y se integra fácilmente en mesas giratorias o automatización alimentada por cinta transportadora".

Otros beneficios del sistema incluyen un posicionamiento altamente preciso y una repetibilidad de la colocación de depósitos de ±0,02 milímetros para el robot de 400 milímetros y ±0,01 milímetros para el robot de 800 milímetros.

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