Modules linéaires en robotique et automatisation

Les robots sont très flexibles au sein de leur enveloppe de travail, mais de nombreux systèmes d'automatisation nécessitent un mouvement au-delà de cette enveloppe. Un robot peut avoir besoin de parcourir plusieurs mètres le long d'une ligne de production, une cellule de transfert peut nécessiter un mouvement XYZ coordonné, ou une station d'accueil AGV peut avoir besoin d'un axe linéaire compact pour positionner un appareil ou un effecteur final.

C'est icimodules linéaires en robotiquedevenir important. Ils peuvent faire office d'axes de déplacement de robots,Robot cartésienstructures, axes de portique, axes de palettisation ou unités de positionnement secondaires qui étendent la portée et la flexibilité du robot principal.

Ce guide explique comment les modules linéaires sont utilisés dans l'automatisation robotique, ce que chaque application exige du système de mouvement et comment les ingénieurs doivent évaluer la vitesse, la charge utile, la rigidité, la synchronisation, la sécurité et l'intégration avant de sélectionner un module.

Pourquoi les robots ont besoin d'axes linéaires

Un robot à six axes offre une excellente liberté angulaire, mais sa portée est limitée par la géométrie de ses bras. L'ajout d'un axe linéaire permet à l'ensemble du robot ou de l'effecteur final de se déplacer dans une zone de travail plus grande.

Raisons typiques pour ajouter unmodule linéaireinclure:

• Extension de la portée du robot le long d'une machine ou d'une ligne de production
• Servir plusieurs stations avec un seul robot
• Réduire le besoin de plusieurs robots fixes
• Création d'un mouvement de sélection et de placement à longue course
• Construire des structures robotiques cartésiennes ou à portique
• Déplacement des effecteurs terminaux indépendamment du bras du robot
• Dispositifs de positionnement, plateaux, capteurs ou outils

Règle au niveau du système :un axe linéaire de robot doit être dimensionné à partir de l'ensemble du système mobile, et pas seulement de la pièce à usiner. La masse du robot, les outils, les câbles, les fixations et l'accélération contribuent tous à la charge.

Septièmes axes du robot : étendre l'enveloppe de travail

Un septième axe de robot est un axe de déplacement linéaire qui porte la base du robot le long d'un rail ou d'un module. Il permet à un robot d'accéder à plusieurs machines, palettes ou zones de travail.

Les applications courantes comprennent :

• Entretien des machines
• Cellules de soudage
• Assemblage de grandes pièces
• manutention des matériaux
• Inspection
• Chargement et déchargement multipostes

Pourquoi la masse du robot modifie la conception mécanique

L'axe linéaire doit supporter le robot complet, et pas seulement la charge utile dans la pince du robot. Un robot avec une charge utile relativement modeste peut néanmoins avoir une masse de base importante et générer des moments dynamiques importants lors du mouvement du bras.

L'axe linéaire doit donc être vérifié pour :

• Masse totale du robot et des outils
• Position du centre de gravité
• Moments de renversement dynamiques
• Accélération de l'axe ferroviaire
• Charges avec arrêt d'urgence
• Rigidité de la base et du cadre

Les longs déplacements changent la conduite préférée

Les axes de déplacement très longs des robots privilégient souvent les transmissions à crémaillère ou autres transmissions évolutives à longue course, car les systèmes à vis deviennent de plus en plus limités par les exigences critiques de vitesse et de support à mesure que la longueur augmente.

Pour les axes de déplacement du robot plus courts et de plus grande précision, des vis à billes ou d'autres structures de modules linéaires compactes peuvent toujours être appropriées.

Cellules Pick-and-Place : le temps de cycle est supérieur à la vitesse maximale

L'automatisation Pick-and-Place est l'une des applications les plus courantes pour les modules linéaires. Le système peut utiliser un seul axe, une table XY, un arrangement XZ ou une structure cartésienne XYZ complète.

Ces systèmes valorisent généralement :

• Accélération élevée
• Temps de déplacement court
• Positions d'arrêt répétables
• Faible masse mobile
• Inversion de direction rapide
• Mouvement stable de l'effecteur final

Pourquoi l'accélération peut être plus importante que la vitesse de pointe

Si la course est courte, l'axe ne peut jamais rester longtemps à la vitesse maximale. Dans ce cas, l’accélération et la décélération dominent le temps de cycle.

Un module avec une vitesse maximale catalogue élevée mais un mauvais comportement dynamique peut ne pas surpasser un axe légèrement plus lent qui accélère, s'installe et inverse plus efficacement.

La masse de l'effecteur final doit être incluse

La charge mobile comprend la pince, l'outillage sous vide, les capteurs, les câbles et le produit prélevé. Si la pince est montée loin du chariot, le moment de charge résultant peut devenir plus important que la charge utile elle-même.

Robots cartésiens XYZ et systèmes de portique

Les modules linéaires peuvent être combinés en structures robotiques cartésiennes où chaque axe contrôle le mouvement dans une direction linéaire.

Les configurations typiques incluent :

• Tables de positionnement XY
• Unités de transfert XZ
• Robots cartésiens XYZ
• Systèmes de portique Dual-X
• Portiques de palettisation longue portée

Les axes inférieurs portent les axes supérieurs

Dans un système XYZ, l'axe X peut devoir déplacer l'axe Y, l'axe Z, les moteurs, l'effecteur final, les câbles et la pièce ensemble.

Cela crée un problème de dimensionnement hiérarchique :

Taille de l'outil vers l'extérieur.L'axe Z porte l'outil, l'axe Y porte Z plus l'outil et l'axe X peut porter l'ensemble YZ complet.

La rigidité de la traverse est importante

Dans les systèmes à portique, la poutre entre deux supports peut fléchir sous le poids du chariot Y ou Z et lors de l'accélération. Cela affecte le positionnement, les vibrations et le temps de stabilisation.

Un portique large doit donc être évalué comme un système structurel, et non simplement comme deux modules linéaires solides reliés par une poutre en aluminium.

Les portiques à double entraînement nécessitent une synchronisation

Les grands portiques peuvent utiliser deux axes X entraînés en parallèle. Cela améliore la répartition de la charge et prend en charge de larges traverses, mais cela introduit des exigences de synchronisation.

Si les deux côtés ne bougent pas ensemble, le pont peut se vriller ou se tordre.

La synchronisation peut être mécanique ou électronique

La synchronisation mécanique peut utiliser un arbre ou une transmission commune pour relier les deux côtés. La synchronisation électronique utilise deux moteurs et coordonne leur position via le système de contrôle.

Les systèmes électroniques à double entraînement nécessitent un examen attentif des éléments suivants :

• Stratégie de référencement
• Correspondance de position entre les deux côtés
• Retour d'information du codeur
• Réglage des servos
• Rigidité du cadre
• Comportement d'arrêt d'urgence

Un portique à double entraînement ne doit jamais compter sur la synchronisation des commandes pour compenser un mauvais alignement mécanique.

Palettisation : portée, charge utile et répétition

L'automatisation de la palettisation nécessite souvent de longs déplacements, de grandes enveloppes de travail et des mouvements répétés de charges utiles modérées ou lourdes.

Les modules linéaires peuvent être utilisés pour :

• Étendre un robot sur plusieurs positions de palette
• Créer des systèmes de palettisation cartésiens
• Déplacer les outils de gestion des calques
• Positionner des palettes vides ou des intercalaires
• Servir plusieurs convoyeurs à partir d'un seul robot

Le cycle de service est important

Les systèmes de palettisation peuvent fonctionner pendant plusieurs heures avec des milliers de cycles répétés. Le module doit être vérifié pour la durée de vie des roulements, l'usure de l'entraînement, la lubrification, la charge thermique du moteur et la durée de vie du porte-câble, et pas seulement pour la charge utile maximale.

Les charges utiles importantes créent des charges de moment

Les boîtes, plateaux ou pinces peuvent créer une charge suspendue importante. Un outillage large peut générer des moments de tangage et de lacet même lorsque la masse totale se situe dans la charge utile nominale du module.

Modules linéaires pour le mouvement des effecteurs terminaux de robots

Tous les axes linéaires n'ont pas besoin de déplacer la base du robot. Des modules compacts peuvent être montés sur ou à proximité du robot pour ajouter un degré de liberté linéaire contrôlé à l'effecteur final.

Les exemples incluent :

• Espacement des pinces réglable
• Extension d'outil
• Pressage ou insertion linéaire
• Réglage de la caméra ou du capteur
• Mécanismes de centrage des pièces
• Systèmes de manutention à pas variable

Gardez les axes des effecteurs terminaux légers

Chaque kilogramme ajouté au poignet du robot réduit la marge de charge utile disponible et augmente l'inertie. Les modules linéaires compacts et légers sont donc particulièrement utiles pour les mouvements en bout de bras.

La masse du moteur, les câbles et les supports doivent être inclus dans le calcul de la charge et du moment admissibles au poignet du robot.

Intégration AGV et AMR : mouvement linéaire sur l'interface mobile

Les AGV et les AMR transportent souvent des pièces entre les stations, mais la plate-forme mobile peut toujours avoir besoin d'un mécanisme de positionnement linéaire pour transférer, aligner ou présenter la charge.

Les utilisations possibles incluent :

• Extension d'un bac dans une machine
• Ajustement de la position d'amarrage
• Soulever ou déplacer un luminaire
• Transfert de bacs ou de palettes
• Capteurs ou connecteurs de positionnement

Les systèmes mobiles introduisent de nouvelles contraintes

Un axe intégré à un AGV doit souvent faire face à une puissance embarquée limitée, à des vibrations pendant le déplacement, à un espace d'installation compact et à des tolérances d'amarrage répétées.

Le module linéaire doit être évalué pour :

• Faible consommation d'énergie
• Verrouillage ou maintien mécanique si nécessaire
• Résistance aux vibrations du transport
• Disposition compacte du moteur
• Détection fiable de la maison et des limites
• Interaction sécurisée avec les stations d'accueil

Types d'entraînement d'axe linéaire de robot

Comment choisir le lecteur pour un axe robotique

Choisissez la vis à billes quand

L'axe nécessite une course relativement compacte, une rigidité élevée, une poussée contrôlée et de bonnes performances de positionnement.

Choisissez la courroie de distribution lorsque

L'axe nécessite une course plus longue, une vitesse élevée et un mouvement de prise et de placement rapide avec des exigences de précision modérées.

Choisissez crémaillère et pignon lorsque

Le robot doit parcourir plusieurs mètres ou la longueur de l'axe doit dépasser les limites pratiques des vis.

Choisissez un moteur linéaire lorsque

L'application nécessite une accélération très élevée, une marche arrière rapide, un faible jeu de transmission et des performances de positionnement dynamique élevées.

Ce sont des points de départ techniques et non des règles fixes. La sélection finale dépend de la charge, de la course, de la vitesse, de la précision, de l'environnement et du coût.

Les servomoteurs sont courants, mais pas toujours obligatoires

Les axes robotiques à cycle élevé utilisent souvent des servomoteurs car ils offrent un contrôle de position en boucle fermée, de fortes performances dynamiques et une intégration facile avec des systèmes de mouvement coordonnés.

Les systèmes servo sont particulièrement utiles lorsque :

• L'axe accélère rapidement
• Le robot et l'axe linéaire se déplacent simultanément
• La position doit être surveillée en permanence
• La synchronisation sur deux axes est requise
• La machine utilise une interpolation coordonnée

Les moteurs pas à pas ou en boucle fermée peuvent toujours être appropriés pour des axes d'indexation ou de réglage plus simples où la vitesse et la demande dynamique sont plus faibles.

Le contrôle du robot et de l'axe linéaire doit être coordonné

Un axe de déplacement d'un robot peut être contrôlé de plusieurs manières selon l'architecture d'automatisation.

L'axe peut être :

• Intégré au contrôleur du robot en tant qu'axe externe
• Contrôlé par un automate oucontrôleur de mouvement
• Fonctionne comme un axe de positionnement indépendant
• Synchronisé électroniquement avec un autre axe

Contrôle d'axe externe intégré

Lorsque le contrôleur du robot traite le module linéaire comme un axe coordonné supplémentaire, la planification de la trajectoire du robot peut inclure le déplacement de base. Ceci est utile pour le soudage, le traitement et les applications où le robot et le rail doivent se déplacer ensemble.

Positionnement indépendant

Pour l'entretien des machines ou le transfert de palettes, le rail peut se déplacer vers une station fixe, s'arrêter, puis permettre au robot d'effectuer sa tâche. Dans ce cas, un séquençage plus simple peut suffire.

Les exigences de précision dépendent de la tâche robotique

Tous les axes de robot n'ont pas besoin de la même précision.

Pour de nombreux axes de déplacement du robot, la précision absolue peut être moins critique que la répétabilité, car les coordonnées de la station peuvent être apprises lors de la mise en service. D'autres applications, telles que l'inspection ou le contrôle du parcours de processus, peuvent nécessiter des performances absolues plus strictes.

La rigidité structurelle affecte la précision du robot

Un module linéaire peut positionner son chariot avec précision pendant que l'outil robot est toujours en mouvement, car le châssis, la base du rail ou le socle du robot dévie.

Les facteurs structurels importants comprennent :

• Planéité du socle
• Espacement des supports de rail
• Rigidité du socle du robot
• Déviation de la traverse
• Porte-à-faux d'outillage
• Rigidité du plancher ou du bâti de la machine

La précision du robot est une propriété du système.La position du centre de l'outil dépend de l'axe linéaire, de la structure du robot, du cadre de montage et de l'effecteur final ensemble.

Les câbles et les services publics peuvent devenir une charge cachée

Les rails et portiques de robots transportent souvent des câbles d'alimentation, des câbles d'encodeur, des conduites pneumatiques, des tubes à vide et des câbles de communication sur de longues distances.

Un câblodistributeur peut introduire :

• Force de traînée variable
• Masse mobile supplémentaire
• Chargement latéral
• Vibration
• Contraintes minimales de rayon de courbure

Les systèmes de câbles doivent donc être inclus lors du dimensionnement du moteur et de la configuration mécanique, et non traités comme un accessoire ajouté après la sélection de l'axe.

Les exigences de sécurité changent avec les grands robots mobiles

L'ajout d'un axe linéaire augmente l'enveloppe de travail du robot et peut créer de nouveaux dangers. Le rail mobile, la base du robot et les outils peuvent pénétrer dans des zones inaccessibles au robot fixe.

La conception de la machine devra peut-être prendre en compte :

• Limites de voyage
• Butées mécaniques
• Retour en toute sécurité
• Distance d'arrêt d'urgence
• Gardiennage et contrôle d'accès
• Surveillance sûre de la vitesse et de la position
• Maintien de l'axe vertical

Le module linéaire lui-même ne constitue qu’une partie de la conception complète de la sécurité de la machine.

La fiabilité est importante dans l'automatisation à cycle élevé

Les cellules robotisées fonctionnent souvent sur plusieurs équipes avec des cycles répétitifs. Un module linéaire qui fonctionne bien lors de la mise en service doit également maintenir la précision et la fluidité sur de longues périodes de production.

La fiabilité à long terme dépend de :

• Dimensionnement correct de la charge et du moment
• Une accélération appropriée
• Lubrification
• Entretien de tapis ou de crémaillères
• Alignement des guides
• Etat du porte-câble
• Contamination de l'environnement
• Inspection préventive

Un processus pratique de sélection d’axe linéaire robotique

1. Définir la tâche robotique.Rail robotisé, pick and place, portique, palettisation, interface AGV ou mouvement par effecteur final ?
2. Calculez la masse totale en mouvement.Inclut le robot, l'outillage, les axes supérieurs et les câbles.
3. Définissez le contour et l'enveloppe de travail.
4. Réglez le temps de cycle, la vitesse et l’accélération.
5. Calculez la charge utile et les moments de charge.
6. Sélectionnez le type de lecteur.
7. Vérifier le couple, la vitesse et l'inertie du moteur.
8. Définir les exigences de répétabilité et de précision.
9. Vérifiez la rigidité structurelle et le support.
10. Planifiez le routage des câbles et des services publics.
11. Choisissez l'architecture de contrôle.
12. Examinez le comportement en matière de sécurité et d’arrêt d’urgence.
13. Vérifiez l’accès à la maintenance et le cycle de service attendu.

Ce dont QRXQ a besoin pour une application robotique

Pour une recommandation de module linéaire utile, fournissez :

• Type de robot ou d'automatisation
• Course requise
• Masse totale en mouvement
• Position du centre de gravité
• Vitesse et accélération maximales
• Temps de cycle cible
• Répétabilité ou précision de positionnement requise
• Disposition horizontale, verticale ou portique
• Configuration mono-axe ou multi-axes
• Préférence de moteur et de commande
• Exigences en matière de câbles et de services publics
• Environnement de travail
• Durée de fonctionnement quotidienne

Pour l'automatisation robotique, le meilleur module linéaire est celui qui correspond à la tâche, et pas simplement celui avec la charge utile ou la vitesse la plus élevée.La portée, la charge dynamique, la rigidité, la synchronisation, le contrôle et la durée de vie doivent tous être pris en compte ensemble.

QRXQ évalue les axes linéaires des robots et les systèmes d'automatisation cartésiens à partir des exigences de mouvement complètes, aidant ainsi à adapter les structures à vis à billes, à courroie de distribution, à crémaillère et pignon ou à entraînement direct à la tâche robotique réelle.