Co to jest robot kartezjański? | Kartezjański system robotów
Definicja robota kartezjańskiego
Robot kartezjański lub robot współrzędnych kartezjańskich (znany również jako robot liniowy) to robot przemysłowy z trzema głównymi osiami sterującymi, z których wszystkie są liniowe (co oznacza, że poruszają się po linii prostej, a nie obracają się) i wzajemnie prostopadłe do siebie. 3-przesuwne przeguby pozwalają na przesuwanie nadgarstka w górę iw dół, do wewnątrz i na zewnątrz oraz do tyłu. W przestrzeni 3D jest niesamowicie niezawodny i precyzyjny. Jest również przydatny w przypadku ruchu poziomego i palowania pojemników jako układ współrzędnych robota.
Kartezjański projekt robota | Robot ze współrzędnymi kartezjańskimi
Kartezjańskie konfiguracje robotów
Aby zrozumieć mechanizm projektowania robota kartezjańskiego, jedną z pierwszych rzeczy, które należy zrozumieć, jest koncepcja wspólnej topologii. Ruchomy cel jest połączony z bazą manipulatorów szeregowych ciągłym łańcuchem ogniw i połączeń. Ruchomy cel jest połączony z dnem równoległych manipulatorów kilkoma łańcuchami (kończynami). Większość współrzędnych kartezjańskich roboty używają połączenia szeregowego i równoległego powiązanych powiązań. Z drugiej strony wszystkie roboty kartezjańskie są połączone równolegle.
Następnie pojawia się stopień swobody. Roboty współrzędnych kartezjańskich zwykle manipulują strukturami tylko z przesunięciem liniowym T stopni swobody, ponieważ obsługują je liniowe robocze pryzmatyczne przeguby P. Z drugiej strony kilka robotów ze współrzędnymi kartezjańskimi ma również obrotowe R stopni swobody.
Układ osi jest jedną z pierwszych rzeczy, które należy określić podczas konstruowania robota kartezjańskiego, nie tylko w celu wykonania niezbędnych ruchów, ale także w celu zapewnienia odpowiedniej sztywności urządzenia, co może mieć wpływ na nośność, precyzję ruchu i dokładność pozycjonowania .
Niektóre aplikacje wymagające ruchu we współrzędnych kartezjańskich są dobrze wspomagane przez robota bramowego niż przez metodę kartezjańską, głównie jeśli oś Y obejmuje długi skok lub jeśli procedura kartezjańska spowoduje umieszczenie znacznych momentów na osiach. Może być potrzebne urządzenie bramowe z podwójną osią X lub podwójną osią Y, aby uniknąć niepotrzebnego ugięcia lub wibracji w takich sytuacjach.
Poziomnica liniowa, składająca się z siłownika liniowego geometrycznie równoległego do łożysk liniowych, jest zwykle używana dla każdej osi robota o współrzędnych kartezjańskich, a siłownik liniowy jest zwykle montowany między 2 łożyskami liniowymi, które są oddzielone od obciążenia momentem wstecznym. Stół XY składa się z dwóch prostopadłych liniowych stopni ułożonych jeden na drugim.
Kartezjańskie roboty przemysłowe | Wybierz i umieść robota kartezjańskiego | Robot kartezjański bramowy
Wybierz i umieść zastosowania, takie jak zastosowania laboratoryjne, korzystają z konstrukcji wspornikowej, ponieważ komponenty są łatwo dostępne. Roboty bramowe to roboty o współrzędnych kartezjańskich z poziomymi elementami podpartymi na obu końcach; fizycznie przypominają suwnice bramowe, które niekoniecznie są robotami. Roboty bramowe są często gigantyczne i mogą przenosić duże obciążenia.
Różnica między robotami Gantry i kartezjańskimi
Robot kartezjański ma jeden siłownik liniowy na każdej osi, podczas gdy robot bramowy ma dwie osie bazowe (X) i drugą oś (Y), która je obejmuje. Ten projekt zatrzymuje 2nd oś nie jest wspornikowa (więcej o tym później) i zapewnia jeszcze dłuższe długości skoku na suwnicach i większą ładowność w porównaniu z robotem kartezjańskim.
Najczęściej spotykane roboty kartezjańskie wykorzystują konstrukcję z podwójnym prowadzeniem, ponieważ zapewnia ona lepszą ochronę dla wystających (momentowych) ładunków; jednak osie z podwójnymi prowadnicami liniowymi mają większy ślad niż osie z pojedynczą prowadnicą, w porównaniu z systemami z podwójnymi prowadnicami generalnie krótkie (w kierunku pionowym) i mogą wyeliminować interakcje z innymi obszarami maszyny. Argumentem jest to, że rodzaj wybranych osi ma wpływ nie tylko na wydajność systemu kartezjańskiego, ale także na ogólny ślad.
Kartezjańskie siłowniki robotów
Jeśli najlepszym wyborem jest mechanizm kartezjański, następującym czynnikiem konstrukcyjnym jest zwykle jednostka sterująca siłownika, która może być systemem śrubowym, śrubowym lub pneumatycznym. Siłowniki liniowe są generalnie dostępne z pojedynczą lub podwójną prowadnicą liniową, w zależności od układu napędowego.
Sterowanie i zarządzanie kablami
Sterowanie kablami to kolejna istotna cecha tego projektu robota, która jest często ignorowana na wczesnych etapach (lub po prostu odkładana na późniejsze etapy planu). Do sterowania, powietrza (dla osi pneumatycznych), wejścia enkodera (dla serwonapędu kartezjańskiego), czujnika i innych urządzeń elektrycznych, każda oś obejmuje kilka kabli.
Gdy systemy i komponenty są połączone za pośrednictwem przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), metody i narzędzia używane do ich łączenia stają się znacznie bardziej krytyczne, a obie te rury, przewody i złącza muszą być odpowiednio poprowadzone i konserwowane, aby uniknąć przedwczesnego zmęczenia z powodu nadmiernego zginanie lub zakłócanie w wyniku interferencji z innymi elementami urządzenia.
Rodzaj i ilość wymaganych kabli, a także stopień zaawansowania zarządzania kablami, zależą od rodzaju sterowania i protokołu sieciowego. Zwróć uwagę, że nośnik, korytka lub obudowy systemu zarządzania kablami będą miały wpływ na pomiary całego systemu, więc upewnij się, że nie ma konfliktu z systemem okablowania i pozostałymi komponentami robotów.
Kartezjańskie sterowanie robotami
Roboty kartezjańskie są preferowaną metodą wykonywania ruchów punkt-punkt, ale mogą również wykonywać złożone ruchy interpolowane i konturowe. Rodzaj wymaganego ruchu określi najlepsze urządzenie sterujące, protokół sieciowy, interfejs HMI i inne komponenty ruchu dla systemu.
Chociaż te komponenty są zlokalizowane niezależnie od osi robota, w większości będą miały wpływ na silniki, przewody i inne potrzebne komponenty elektryczne osi. Te elementy osiowe miałyby wpływ na pierwsze dwa rozważania projektowe, pozycjonowanie i sterowanie kablami.
W rezultacie proces projektowania zatacza koło, podkreślając znaczenie skonstruowania robota kartezjańskiego jako połączonego ze sobą urządzenia elektromechanicznego, a nie zestawu części mechanicznych podłączonych do sprzętu elektrycznego i oprogramowania.
Koperta pracy robota kartezjańskiego
Różne konfiguracje robotów dają różne kształty obwiedni roboczych. Ta obwiednia robocza ma kluczowe znaczenie przy wyborze Robota do konkretnego zastosowania, ponieważ określa obszar roboczy manipulatora i efektora końcowego. Z wielu powodów należy zachować ostrożność podczas badania zakresu pracy robota:
- Obwiednia robocza to ilość pracy, do której można podejść przez punkt na końcu ramienia robota, który zazwyczaj znajduje się pośrodku układu mocowania efektorów końcowych. Nie ma żadnych instrumentów ani przedmiotów obrabianych należących do efektora końcowego.
- Czasami w obszarze roboczym istnieją miejsca, do których ramię robota nie może wejść. Martwe strefy to nazwy nadawane konkretnym regionom.
- Podana maksymalna ładowność jest osiągalna tylko przy takich długościach ramienia, które mogą, ale nie muszą, osiągnąć maksymalny zasięg.
Obwiednią operacyjną konfiguracji kartezjańskiej jest prostokątny pryzmat. Wewnątrz obwiedni roboczej nie ma martwych stref, a robot może manipulować pełnym ładunkiem w całej objętości roboczej.
Przykłady robotów kartezjańskich
Ploter kalkulacyjny
3-osiowy robot kartezjański do wydawania pokarmu na muszki owocowe
Kartezjańska kinematyka robotów
Robot kartezjański jest zasadniczo trójpryzmatycznym przegubem lub robotem PPP. Jest to zgodne z ogólną zasadą określania kinematyki postępowej i odwrotnej manipulatora robota łącza szeregowego, którą można znaleźć tutaj.
Do czego służy robot kartezjański? | Aplikacje robotów kartezjańskich
Komputerowe maszyny sterowane numerycznie (maszyny CNC) i druk 3D to dwa typowe zastosowania robotów współrzędnych kartezjańskich. Frezarki i plotery wykorzystują najprostszą aplikację, w której narzędzie, takie jak router lub długopis, porusza się po płaszczyźnie XY i jest podnoszone i opuszczane na powierzchnię w celu wytworzenia określonego wzoru.
Robotykę ze współrzędnymi kartezjańskimi można również stosować w maszynach typu pick-and-place. Na przykład roboty kartezjańsko-suwnicowe służą do załadunku i rozładunku elementów stosowanych w tokarce CNC, pracując w trzech osiach (X, Y, Z) podnosząc i umieszczając duże obciążenia z dużą prędkością i z dużą precyzją.
Zalety robota kartezjańskiego
- Mogą przenosić ciężkie ładunki dzięki kompaktowej konstrukcji i prostoliniowej podróży.
- Pojedynczy kontroler może sterować wieloma robotami, eliminując potrzebę stosowania rozwiązań PLC lub IO między kilkoma sterownikami.
- Mogą przenosić ciężkie ładunki na duże odległości, ponieważ mają długie pociągnięcia około 2 metrów.
- Ich działania i role są dokładne i powtarzalne.
- Czasy cykli ulegają skróceniu ze względu na ich dużą prędkość ruchu i przyspieszenie.
- Możliwość ustawienia 2 jednostek na osi Z i minimalizacja przestrzeni montażowej.
- Może być zbudowany z praktycznie każdym siłownikiem liniowym i kilkoma mechanizmami napędowymi (łącznie z paskiem, śrubą pociągową, siłownikiem lub silnikiem liniowym).
- Ta konstrukcja mechaniczna uprościła między innymi rozwiązanie ramienia sterującego robota, a podczas pracy w przestrzeni 3D jest wysoce niezawodna i precyzyjna.
Wady robota kartezjańskiego
- Z drugiej strony roboty kartezjańskie mają wady, takie jak wymaganie dużej ilości miejsca do działania i niezdolność do pracy pod wodą.
- Podczas pracy w niebezpiecznym środowisku roboty te również wymagają specjalnej ochrony. Inną wadą tego typu robotów jest to, że są zwykle wolniejsze od innych.
- Kiedy powietrze jest brudne, często trudno jest utrzymać brud z elementów ślizgowych.
- Używanie suwnicy lub innego sprzętu do przenoszenia materiałów w celu uzyskania dostępu do obszaru roboczego może być zabronione, a naprawa może być skomplikowana.
Różnice między robotami kartezjańskimi, sześcioosiowymi i SCARA
Obciążenie robota kartezjańskiego
Nośność robota (określona przez producenta) musi być większa niż całkowita masa ładunku na końcu ramienia robota z częściami oprzyrządowania. Roboty SCARA i roboty sześcioosiowe są ograniczone, ponieważ przenoszą obciążenia na rozbudowane komponenty.
Na przykład centrum obróbcze, które produkuje zespoły łożyskowe ważące 100 kg lub więcej. Z wyjątkiem największych robotów SCARA czy sześcioosiowych, ładowność przekracza ich możliwości. Z drugiej strony, tradycyjny robot kartezjański może z łatwością podnosić i pozycjonować te ładunki, ponieważ jego rama nośna i łożyska wspierają cały zakres ruchu.
Orientacja robota kartezjańskiego
Kierunek robota zależy od tego, jak jest ustawiony i jak umieszcza popychane elementy lub przedmioty. Jeśli posadzka lub cokół montowany na linii robota SCARA lub robota sześcioosiowego stanowią przeszkodę, takie roboty mogą nie być właściwym wyborem. Roboty kartezjańskie o małej ramie mogą być umieszczane nad głową i na uboczu, jeśli aplikacja obejmuje tylko obrót w kilku osiach.
Jednak w przypadku skomplikowanej obsługi elementów lub funkcji obejmujących cztery lub więcej osi ruchu, konstrukcja robota kartezjańskiego może być zbyt przeszkadzająca, a kompaktowy robot SCARA, który może mieć zaledwie 200 mm2 i cztery śruby na cokole, może być lepiej dopasowany. .
Prędkość robota kartezjańskiego
Katalogi producentów robotów zawierają oprócz indeksów nośności również indeksy prędkości. Czasy przyspieszenia na długich dystansach mają kluczowe znaczenie podczas wybierania robotów do zastosowań typu „podnieś i umieść”. Roboty kartezjańskie mogą osiągać prędkość XNUMX m/s lub wyższą, rywalizując z robotami SCARA i robotami sześcioosiowymi.
Cykl pracy robota kartezjańskiego
Tyle czasu zajmuje wykonanie pojedynczej pętli operacyjnej. Roboty, które pracują nieprzerwanie 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu (jak w przypadku skanowania o dużej wydajności i produkcji farmaceutycznej), kończą swój okres użytkowania szybciej niż te, które pracują przez osiem godzin przez pięć dni w tygodniu. Aby zapobiec potencjalnemu pogorszeniu sytuacji, napraw te problemy z wyprzedzeniem i kup roboty z długimi okresami smarowania i niewielkimi wymaganiami konserwacyjnymi.
Przeczytaj także:
- Zastosowania do projektowania robotów kołowych Mecanum
- Krytyczne zastosowania tłumiące
- Zastosowania atomowej spektroskopii emisyjnej
Mam doświadczenie w inżynierii lotniczej i kosmicznej, obecnie pracuję nad zastosowaniem robotyki w przemyśle obronnym i kosmicznym. Ciągle się uczę, a moja pasja do sztuk kreatywnych skłania mnie do projektowania nowatorskich koncepcji inżynieryjnych.
Ponieważ w przyszłości roboty zastąpią prawie wszystkie ludzkie działania, lubię przybliżać moim czytelnikom podstawowe aspekty tego tematu w łatwy, ale pouczający sposób. Lubię też być na bieżąco z postępem w przemyśle lotniczym.