¿Qué es un robot cartesiano? | 5 Aplicaciones importantes | Ventajas y desventajas

Robot cartesiano

Crédito de la imagen: Diseno de la maquina

El tema de discusión: Datos y características del robot cartesiano

¿Qué es un robot cartesiano? | Sistema de robot cartesiano

Definición de robot cartesiano

Un robot cartesiano o un robot de coordenadas cartesianas (también conocido como robot lineal) es un robot industrial con tres ejes de control primarios que son todos lineales (lo que significa que viajan a lo largo de una línea recta en lugar de girar) y mutuamente perpendiculares entre sí. Las 3 articulaciones deslizantes le permiten mover la muñeca hacia arriba, hacia adentro y hacia afuera y hacia atrás. En el espacio 3D, es increíblemente confiable y preciso. También es útil para el movimiento horizontal y apilar contenedores como un sistema de coordenadas de robot.

Diseño de robot cartesiano | Robot de coordenadas cartesianas

Configuraciones de robot cartesiano

Para comprender el mecanismo de diseño de un robot cartesiano, una de las primeras cosas que debe entenderse es el concepto de topología conjunta. Un objetivo en movimiento está ligado a una base de manipuladores en serie por una cadena continua de eslabones y articulaciones. El objetivo en movimiento está conectado a la parte inferior de los manipuladores paralelos mediante varias cadenas (extremidades). La mayoría de los robots de coordenadas cartesianos utilizan una combinación de enlaces relacionados en serie y en paralelo. Cualquier robot de coordenadas cartesianas, por otro lado, está totalmente conectado en paralelo.

Lo siguiente que entra en escena es el grado de libertad. Los robots de coordenadas cartesianas comúnmente manipulan estructuras con solo traslación lineal T grados de libertad ya que las uniones P prismáticas de trabajo lineal las operan. Por otro lado, pocos robots de coordenadas cartesianos también tienen grados de libertad R rotacionales.

La disposición de los ejes es una de las primeras cosas que se deben determinar al construir un robot cartesiano, no solo para lograr los movimientos necesarios, sino también para garantizar que el dispositivo tenga la rigidez adecuada, lo que puede afectar la capacidad de carga, la precisión de desplazamiento y la precisión de posicionamiento. .

Algunas aplicaciones que necesitan un movimiento de coordenadas cartesianas están bien asistidas por un robot de pórtico que por un método cartesiano, principalmente si el eje Y implica una carrera larga o si el procedimiento cartesiano colocará momentos sustanciales en los ejes. Puede ser necesario un dispositivo de pórtico con ejes Dual-X o dual-Y para evitar deflexiones o vibraciones innecesarias en estas situaciones.

Un nivel lineal, que consiste en un actuador lineal geométricamente paralelo con cojinetes lineales, se usa generalmente para cada eje de un robot de coordenadas cartesianas y el actuador lineal generalmente se monta entre 2 cojinetes lineales que están separados para la carga de momento inverso. Una mesa XY está formada por dos etapas lineales perpendiculares apiladas una encima de la otra.

Robots industriales cartesianos | Elija y coloque el robot cartesiano | Robot cartesiano de pórtico

Elegir y colocar La aplicación, como el uso en laboratorio, se beneficia de la construcción en voladizo porque los componentes son fácilmente accesibles. Los robots de pórtico son robots de coordenadas cartesianas con miembros horizontales apoyados en ambos extremos; físicamente, son similares a las grúas pórtico, que no son necesariamente robots. Los robots de pórtico suelen ser gigantes y capaces de transportar cargas pesadas.

Diferencia entre robots gantry y cartesianos

Un robot cartesiano tiene un actuador lineal en cada eje, mientras que un robot de pórtico tiene dos ejes de base (X) y un segundo eje (Y) que los abarca. Este diseño detiene el 2nd El eje no esté en voladizo (más sobre eso más adelante) y hace que las longitudes de carrera en los pórticos sean aún más largas y una mayor carga útil en comparación con el robot cartesiano.

Robot cartesiano de pórtico tecno-840, Fuente de la imagen: www.tecnowey.com, Robot Portico tecno-840CC BY 3.0

Los robots cartesianos más comunes utilizan el diseño de guiado doble porque proporciona una protección más excelente para cargas en voladizo (momento); sin embargo, los ejes con guías lineales duales tienen más espacio que los ejes con una sola, en comparación con los sistemas de guía dual generalmente cortos (en la dirección vertical) y pueden eliminar la interacción con otras áreas de la máquina. El argumento es que el tipo de ejes que elija tiene un impacto no solo en la eficiencia del sistema cartesiano sino también en la huella general.

Actuadores de robot cartesianos

Si un mecanismo cartesiano es la mejor opción, el siguiente factor de diseño suele ser la unidad de control del actuador, que puede ser un sistema de perno, tornillo o neumático. Los actuadores lineales generalmente están disponibles con una guía lineal simple o doble, dependiendo del sistema de transmisión.

Control y gestión de cables

El control por cable es otra característica esencial de este diseño de robot que a menudo se ignora en las primeras etapas (o simplemente se pospone para etapas posteriores del plan). Para control, aire (para ejes neumáticos), entrada de codificador (para cartesiano servoaccionado), sensor y otros aparatos eléctricos, cada eje involucra varios cables.

Fuente de imagen: Instrumentales de Texas

Cuando los sistemas y componentes se conectan a través de la Internet industrial de las cosas (IIoT), los métodos y herramientas utilizados para vincularlos se vuelven mucho más críticos y ambos tubos, cables y conectores deben enrutarse adecuadamente y mantenerse para evitar la fatiga prematura por causas indebidas. flexión o interrupción por interferencia con otros componentes del dispositivo.

El tipo y la cantidad de cables necesarios, así como la sofisticación de la gestión de cables, están determinados por el tipo de control y protocolo de red. Tenga en cuenta que el portacables, las bandejas o las carcasas del sistema de administración de cables afectarán las medidas del sistema total, así que asegúrese de que no haya ningún conflicto con el sistema de cableado y el resto de los componentes robóticos.

Controles de robot cartesiano

Los robots cartesianos son el método preferido para realizar movimientos de punto a punto, pero también pueden realizar movimientos complejos interpolados y contorneados. El tipo de movimiento necesario especificará el mejor dispositivo de control, protocolo de red, HMI y otros componentes de movimiento para el sistema.

Si bien estos componentes están ubicados independientemente de los ejes del robot, en su mayor parte, tendrán un impacto en los motores, cables y otros componentes eléctricos en el eje necesarios. Estos elementos en el eje influirían en las dos primeras consideraciones de diseño, el posicionamiento y el control del cable.

Como resultado, el proceso de diseño se cierra en círculo, lo que enfatiza la importancia de construir un robot cartesiano como un dispositivo electromecánico interconectado en lugar de un conjunto de partes mecánicas conectadas a hardware y software eléctricos.

Sobre de trabajo de robot cartesiano

Varias configuraciones de robot producen distintas formas de envolvente de trabajo. Este entorno de trabajo es crucial al elegir un robot para una aplicación específica porque especifica el área de trabajo del manipulador y del efector final. Para una multitud de propósitos, se debe tener cuidado al estudiar el entorno de trabajo de un robot:

  1. El área de trabajo es la cantidad de trabajo que se puede abordar mediante un punto en el extremo del brazo robótico, que generalmente es el medio de las disposiciones de montaje de los efectores finales. No tiene ningún instrumento o pieza de trabajo propiedad del efector final.
  2. A veces, hay lugares dentro del entorno operativo en los que el brazo robótico no puede entrar. Las zonas muertas son el nombre que se le da a regiones específicas.
  3. La capacidad de carga útil máxima citada solo se puede lograr con tales longitudes de brazo, que pueden o no alcanzar el alcance máximo.

La envolvente operativa de la configuración cartesiana es un prisma rectangular. Dentro del área de trabajo, no hay zonas muertas y el robot puede manipular la carga útil completa en todo el volumen de trabajo.

Ejemplos de robots cartesianos

Un trazador de calculadora

Calculadora Trazador HP 9862A, Fuente de imagen: Florian SchäfferHp 9862aCC BY-SA 4.0

Robot cartesiano de 3 ejes para dispensar comida para moscas de la fruta

Cinemática cartesiana del robot

El robot cartesiano es esencialmente una articulación de tres prismáticos o un robot PPP. Sigue la regla general para determinar la cinemática directa e inversa de un manipulador de robot de enlace en serie, que se puede encontrar aquí.

¿Para qué se utiliza un robot cartesiano? | Aplicaciones de robots cartesianos

Las máquinas de control numérico por computadora (máquinas CNC) y la impresión 3D son dos aplicaciones típicas de los robots de coordenadas cartesianas. Las fresadoras y trazadores utilizan la aplicación más sencilla, en la que una herramienta, como un enrutador o un bolígrafo, se mueve alrededor de un plano XY y se eleva y baja sobre una superficie para producir un patrón específico.

La robótica de coordenadas cartesianas también se puede utilizar en máquinas de recoger y colocar. Los robots cartesianos de pórtico aéreo, por ejemplo, se utilizan para cargar y descargar componentes utilizados en la línea de torno CNC, trabajando en tres ejes (X, Y, Z), operación de pick and place de cargas pesadas a alta velocidad y con alta precisión.

Ventajas del robot cartesiano

  1. Pueden mover cargas útiles pesadas debido a su construcción compacta y desplazamiento en línea recta.
  2. Un solo controlador puede controlar muchos robots, obviando la necesidad de soluciones PLC o E / S entre varios controladores.
  3. Pueden transportar cargas pesadas a largas distancias porque tienen carreras largas de alrededor de 2 metros.
  4. Sus acciones y roles son exactos y repetibles.
  5. Los tiempos de ciclo se acortan debido a su rápida velocidad de movimiento y aceleración.
  6. La opción de configurar 2 unidades en el eje Z y minimiza el espacio de montaje.
  7. Se puede construir con prácticamente cualquier actuador lineal y varios mecanismos de accionamiento (junto con correa, husillo, actuador o motor lineal).
  8. Esta estructura mecánica simplificó la solución del brazo de control del robot, entre otras cosas, y si trabaja en un espacio 3D, es altamente confiable y precisa.

Desventajas del robot cartesiano

  1. Por otro lado, los robots cartesianos tienen inconvenientes como requerir una gran cantidad de espacio para correr y no poder trabajar bajo el agua.
  2. Cuando operan en un entorno peligroso, estos robots también necesitan una protección especial. Otro inconveniente de este tipo de robot es que suele ser más lento que los demás.
  3. Cuando el aire está sucio, a menudo es difícil mantener la suciedad fuera de los componentes deslizantes.
  4. El uso de una grúa aérea u otro equipo de manipulación de materiales para acceder al área de trabajo puede estar prohibido y la reparación puede ser complicada.

Diferencias entre robots cartesianos, de seis ejes y SCARA

Carga del robot cartesiano

La capacidad de carga de un robot (según lo especificado por el fabricante) debe ser mayor que el peso total de la carga útil al final del brazo robótico con piezas de herramientas. Los robots SCARA y de seis ejes están limitados porque transportan cargas en componentes extendidos.

Por ejemplo, un centro de mecanizado que fabrica conjuntos de rodamientos que pesan 100 kg o más. A excepción de los robots SCARA o de seis ejes más grandes, la carga útil supera sus capacidades. Un robot cartesiano tradicional, por otro lado, puede recoger y colocar fácilmente esas cargas porque su marco de soporte y cojinetes soportan todo el rango de movimiento.

Orientación del robot cartesiano

La dirección del robot está determinada por cómo está posicionado y cómo coloca las piezas o elementos que se empujan. Si el pedestal montado en el piso o en línea de un robot SCARA o de seis ejes causa un obstáculo, estos robots pueden no ser la elección correcta. Los robots cartesianos de bastidor pequeño pueden colocarse por encima y fuera del camino si la aplicación solo implica la rotación en unos pocos ejes.

Sin embargo, para el manejo o la función de componentes complejos que involucran cuatro o más ejes de movimiento, la estructura de un robot cartesiano puede ser demasiado obstructiva, y un robot SCARA compacto, que puede ser tan pequeño como 200 mm2 y cuatro pernos en un pedestal, tal vez se ajuste mejor .

Velocidad del robot cartesiano

Los catálogos de los fabricantes de robots también tienen índices de velocidad además de los índices de carga. Los tiempos de aceleración en largas distancias son fundamentales para recordar cuando se seleccionan robots para aplicaciones de pick-and-place. Los robots cartesianos pueden alcanzar velocidades de cinco m / seg o más, rivalizando con SCARA y los robots de seis ejes.

Ciclo de trabajo del robot cartesiano

Este es el tiempo que se tarda en completar un solo bucle operativo. Los robots que funcionan constantemente las 24 horas del día, los siete días de la semana (como en el escaneo de alto rendimiento y la fabricación farmacéutica) llegan al final de su vida útil más rápido que los que funcionan durante ocho horas cinco días a la semana. Para detener el posible agravamiento, solucione estos problemas con anticipación y compre robots con largos períodos de lubricación y bajos requisitos de mantenimiento.

Sobre Esha Chakraborty

Tengo experiencia en Ingeniería Aeroespacial, actualmente trabajando en la aplicación de la Robótica en la Defensa y la Industria de las Ciencias Espaciales. Soy un aprendiz continuo y mi pasión por las artes creativas me mantiene inclinado hacia el diseño de conceptos novedosos de ingeniería.
Con los robots sustituyendo casi todas las acciones humanas en el futuro, me gusta llevar a mis lectores los aspectos fundamentales del tema de una manera fácil pero informativa. También me gusta mantenerme actualizado con los avances en la industria aeroespacial simultáneamente.

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