Wat is een cartesiaanse robot? Cartesiaans robotsysteem
Cartesiaanse robotdefinitie
Een cartesische robot of een cartesische coördinatenrobot (ook wel lineaire robot genoemd) is een industriële robot met drie primaire stuurassen die allemaal lineair zijn (wat betekent dat ze langs een rechte lijn reizen in plaats van roterend) en onderling loodrecht op elkaar staan. Door de 3-glijdende gewrichten kunt u uw pols omhoog, omlaag en naar voren en naar achteren bewegen. In 3D-ruimte is het ongelooflijk betrouwbaar en nauwkeurig. Het is ook handig voor horizontale verplaatsing en het opstapelen van bakken als een robotcoördinatensysteem.
Cartesiaans robotontwerp | Cartesiaanse gecoördineerde robot
Cartesiaanse robotconfiguraties
Om het ontwerpmechanisme van een cartesiaanse robot te begrijpen, is een van de eerste dingen die moeten worden begrepen het concept van gezamenlijke topologie. Een bewegend doelwit is gebonden aan een basis van seriële manipulatoren door een continue ketting van schakels en verbindingen. Het bewegende doelwit is door verschillende kettingen (ledematen) verbonden met de onderkant van parallelle manipulatoren. De meerderheid van de cartesiaanse coördinaat robots gebruiken een mix van serieel en parallel gerelateerde verbanden. Elke Cartesiaanse coördinaatrobot daarentegen is volledig parallel verbonden.
Het volgende dat in beeld komt, is de mate van vrijheid. Cartesiaanse coördinaatrobots manipuleren gewoonlijk structuren met alleen lineaire translatie T-vrijheidsgraden, aangezien lineair werkende prismatische P-verbindingen ze bedienen. Aan de andere kant hebben maar weinig Cartesiaanse coördinatenrobots ook roterende R-vrijheidsgraden.
De lay-out van de assen is een van de eerste dingen die moet worden bepaald bij het construeren van een cartesiaanse robot, niet alleen om de nodige bewegingen uit te voeren, maar ook om ervoor te zorgen dat het apparaat voldoende stijf is, wat van invloed kan zijn op het draagvermogen, de reisprecisie en de positioneringsnauwkeurigheid. .
Sommige toepassingen die een cartesiaanse coördinaatbeweging nodig hebben, worden goed ondersteund door een portaalrobot dan door een cartesiaanse methode, vooral als de Y-as een lange slag omvat of als de cartesiaanse procedure substantiële momenten op de assen zal plaatsen. Een portaalapparaat met Dual-X- of dual-Y-assen kan in deze situaties nodig zijn om onnodige doorbuiging of trillingen te voorkomen.
Een lineair niveau, bestaande uit een lineaire actuator die geometrisch parallel loopt met lineaire lagers, wordt meestal gebruikt voor elke as van een Cartesiaanse coördinaatrobot en de lineaire actuator wordt meestal gemonteerd tussen 2 lineaire lagers die uit elkaar zijn geplaatst om de momentbelasting te compenseren. Een XY-tafel bestaat uit twee loodrecht op elkaar gestapelde lineaire trappen.
Cartesiaanse industriële robots | Pick and Place Cartesiaanse robot | Gantry Cartesiaanse Robot
Kies en plaats toepassing, zoals laboratoriumgebruik, profiteren van vrijdragende constructie omdat componenten gemakkelijk toegankelijk zijn. Gantry-robots zijn Cartesiaanse coördinatenrobots met horizontale elementen die aan beide uiteinden worden ondersteund; fysiek lijken ze op portaalkranen, die niet noodzakelijk robots zijn. Portaalrobots zijn vaak gigantisch groot en kunnen zware lasten dragen.
Verschil tussen Gantry en Cartesiaanse robots
Een Cartesiaanse robot heeft één lineaire actuator op elke as, terwijl een portaalrobot twee basisassen (X) heeft en een tweede (Y) as die ze overspant. Dit ontwerp stopt de 2nd as van vrijdragend (daarover later meer) en zorgt voor nog langere slaglengtes in portalen en een groter laadvermogen in vergelijking met Cartesiaanse robot.
De meest voorkomende Cartesiaanse robots gebruiken het ontwerp met dubbele geleiding omdat het een uitstekende bescherming biedt voor overhangende (moment)belastingen; assen met dubbele lineaire geleiders hebben echter een grotere voetafdruk dan assen met enkele, in vergelijking zijn systemen met dubbele geleiding over het algemeen kort (in verticale richting) en kunnen interactie met andere delen van de machine worden geëlimineerd. Het argument is dat het soort assen dat u kiest niet alleen van invloed is op de efficiëntie van het cartesiaanse systeem, maar ook op de totale voetafdruk.
Cartesiaanse robotactuatoren
Als een Cartesiaans mechanisme de beste keuze is, is de volgende ontwerpfactor meestal de regeleenheid van de actuator, die een bout-, schroef- of pneumatisch aangedreven systeem kan zijn. Lineaire actuatoren zijn over het algemeen verkrijgbaar met een enkele of dubbele lineaire geleiding, afhankelijk van het aandrijfsysteem.
Kabelcontrole en -beheer
Kabelbesturing is een ander essentieel kenmerk van dit robotontwerp dat in de vroege stadia vaak wordt genegeerd (of alleen wordt uitgesteld tot latere stadia van het plan). Voor besturing, lucht (voor pneumatische assen), encoderinvoer (voor servo-aangedreven Cartesian), sensor en andere elektrische apparaten, omvat elke as verschillende kabels.
Wanneer systemen en componenten zijn verbonden via het Industrial Internet of Things (IIoT), worden de methoden en hulpmiddelen die worden gebruikt om ze te koppelen veel kritischer en moeten beide buizen, draden en connectoren op de juiste manier worden geleid en onderhouden om voortijdige vermoeidheid door overmatige verbuiging of verstoring door interferentie met andere apparaatcomponenten.
Het type en de hoeveelheid benodigde kabels, evenals de verfijning van het kabelbeheer, worden allemaal bepaald door het soort besturing en het netwerkprotocol. Merk op dat de kabeldrager, goten of behuizingen van het kabelbeheersysteem de afmetingen van het totale systeem beïnvloeden, dus zorg ervoor dat er geen conflict is met het bekabelingssysteem en de rest van de robotcomponenten.
Cartesiaanse robotbesturing
Cartesiaanse robots hebben de voorkeur voor het maken van punt-naar-punt-bewegingen, maar ze kunnen ook complexe geïnterpoleerde en gecontourde bewegingen uitvoeren. Het type beweging dat nodig is, bepaalt het beste besturingsapparaat, het netwerkprotocol, de HMI en andere bewegingscomponenten voor het systeem.
Hoewel deze componenten zich onafhankelijk van de assen van de robot bevinden, zullen ze voor het grootste deel een impact hebben op de motoren, draden en andere elektrische componenten op de as die nodig zijn. Deze elementen op de as zouden de eerste twee ontwerpoverwegingen, positionering en kabelbesturing, beïnvloeden.
Het resultaat is dat het ontwerpproces de cirkel rond is, wat het belang benadrukt van het construeren van een Cartesiaanse robot als een onderling verbonden elektromechanisch apparaat in plaats van een reeks mechanische onderdelen die aan elektrische hardware en software zijn bevestigd.
Cartesiaanse robotwerkvelop
Verschillende robotconfiguraties produceren verschillende werkomhullende vormen. Dit werkbereik is cruciaal bij het kiezen van een robot voor een specifieke toepassing, omdat het het werkgebied van de manipulator en de eindeffector specificeert. Voor een groot aantal doeleinden is voorzichtigheid geboden bij het bestuderen van het werkbereik van een robot:
- Het werkbereik is de hoeveelheid werk die kan worden benaderd door een punt aan het uiteinde van de robotarm, dat typisch het midden is van de montageopstellingen van de eindeffectoren. Het heeft geen instrumenten of werkstukken die eigendom zijn van de eindeffector.
- Er zijn soms locaties binnen het werkbereik waar de robotarm niet binnen kan. Dode zones zijn de namen die aan specifieke regio's worden gegeven.
- Het genoemde maximale laadvermogen is alleen haalbaar bij dergelijke armlengtes, die al dan niet het maximale bereik kunnen bereiken.
Het werkingsbereik van de cartesiaanse configuratie is een rechthoekig prisma. Binnen het werkbereik zijn er geen dode zones en de robot kan het volledige laadvermogen over het hele werkvolume manipuleren.
Cartesiaanse robots voorbeelden
Een rekenmachine-plotter
3-assige cartesiaanse robot voor het verstrekken van fruitvliegvoedsel
Cartesiaanse robot-kinematica
De cartesiaanse robot is in wezen een drie prismatisch gewricht of een PPP-robot. Het volgt de algemene regel van het bepalen van de voorwaartse en inverse kinematica van een seriële link-robotmanipulator, die kan worden gevonden hier.
Waar wordt een cartesiaanse robot voor gebruikt? Cartesiaanse robottoepassingen
Computer numerieke besturingsmachines (CNC-machines) en 3D-printen zijn twee typische toepassingen voor Cartesiaanse coördinatenrobots. Freesmachines en plotters gebruiken de meest eenvoudige toepassing, waarbij een gereedschap, zoals een router of een pen, rond een XY-vlak beweegt en op een oppervlak wordt opgetild en neergelaten om een specifiek patroon te produceren.
Cartesiaanse coördinatenrobotica kan ook worden gebruikt in pick-and-place-machines. Cartesiaanse portaalrobots worden bijvoorbeeld gebruikt voor het laden en lossen van componenten die worden gebruikt in CNC-draaibanken, waarbij ze werken in drie-assige (X, Y, Z) pick-and-place-bewerking van zware lasten met hoge snelheid en met hoge precisie.
Cartesiaanse robotvoordelen
- Ze kunnen zware ladingen verplaatsen dankzij hun compacte constructie en rechtlijnige verplaatsingen.
- Een enkele controller kan veel robots aansturen, waardoor PLC-oplossingen of IO tussen meerdere controllers overbodig zijn.
- Ze kunnen zware lasten over lange afstanden dragen omdat ze lange slagen hebben van ongeveer 2 meter.
- Hun acties en rollen zijn exact en herhaalbaar.
- Cyclustijden worden verkort vanwege hun hoge bewegingssnelheid en versnelling.
- De mogelijkheid om 2-units op de Z-as in te stellen en minimaliseert de montageruimte.
- Het kan worden gebouwd met vrijwel elke lineaire actuator en verschillende aandrijfmechanismen (samen met riem, draadspindel, actuator of lineaire motor).
- Deze mechanische structuur vereenvoudigde onder andere de oplossing van de Robot-bedieningsarm en als u in 3D-ruimte werkt, is deze zeer betrouwbaar en nauwkeurig.
Cartesiaanse robot nadelen
- Aan de andere kant hebben Cartesiaanse robots nadelen, zoals het feit dat ze veel ruimte nodig hebben om te rennen en niet in staat zijn om onder water te werken.
- Bij het opereren in een gevaarlijke omgeving hebben deze robots ook speciale bescherming nodig. Een ander nadeel van dit robottype is dat het meestal langzamer is dan de andere.
- Als de lucht vuil is, is het vaak moeilijk om vuil uit de glijdende delen te houden.
- Het gebruik van een bovenloopkraan of andere apparatuur voor materiaalbehandeling om toegang te krijgen tot het werkbereik kan verboden zijn en reparatie kan gecompliceerd zijn.
Verschillen tussen cartesiaanse, zesassige en SCARA-robots
Cartesiaanse robotbelasting
Het laadvermogen van een robot (zoals gespecificeerd door de fabrikant) moet groter zijn dan het totale laadvermogen aan het uiteinde van de robotarm met gereedschapsonderdelen. SCARA- en zesassige robots zijn beperkt omdat ze lasten op verlengde componenten dragen.
Bijvoorbeeld een bewerkingscentrum dat lagerassemblages produceert met een gewicht van 100 kg of meer. Met uitzondering van de grootste SCARA- of zesassige robots, overtreft het laadvermogen hun mogelijkheden. Een traditionele Cartesiaanse robot daarentegen kan die lasten gemakkelijk oppakken en positioneren, omdat het steunframe en de lagers het hele bewegingsbereik ondersteunen.
Oriëntatie van de Cartesiaanse robot
De richting van de robot wordt bepaald door hoe hij is gepositioneerd en hoe hij de stukken of items plaatst die worden geduwd. Als het op de vloer of lijn gemonteerde voetstuk van een SCARA of zesassige robot een obstakel vormt, zijn dergelijke robots misschien niet de juiste keuze. Cartesiaanse robots met een klein frame kunnen boven het hoofd en uit de weg worden geplaatst als de toepassing slechts in een paar assen draait.
Voor complexe hantering of functie van componenten waarbij vier of meer bewegingsassen betrokken zijn, kan de structuur van een cartesiaanse robot te obstructief zijn, en een compacte SCARA-robot, die misschien zo klein is als 200 mm2 en vier bouten op een voetstuk, past misschien beter .
Cartesiaanse robotsnelheid
Catalogi van robotfabrikanten hebben naast belastingsclassificaties ook snelheidsclassificaties. Versnellingstijden over lange afstanden zijn van cruciaal belang om te onthouden bij het kiezen van robots voor pick-and-place-toepassingen. Cartesiaanse robots kunnen snelheden van vijf m/sec of hoger bereiken, en wedijveren met SCARA en zesassige robots.
De werkcyclus van de Cartesiaanse robot
Dit is de tijd die nodig is om een enkele bedieningslus te voltooien. Robots die constant 24 uur per dag, zeven dagen per week draaien (zoals bij scannen met hoge verwerkingscapaciteit en farmaceutische productie) bereiken sneller het einde van hun nuttige levensduur dan die die vijf dagen per week acht uur draaien. Om mogelijke verergering te stoppen, moet u deze problemen van tevoren oplossen en robots kopen met lange smeerperiodes en lage onderhoudsvereisten.
Lees ook:
- Ontwerptoepassingen voor Mecanum-robots op wielen
- Kritieke dempingstoepassingen
- Toepassingen van atomaire emissiespectroscopie
Ik heb een achtergrond in lucht- en ruimtevaarttechniek en werk momenteel aan de toepassing van robotica in de defensie- en ruimtevaartindustrie. Ik leer voortdurend en mijn passie voor creatieve kunsten zorgt ervoor dat ik geneigd ben nieuwe technische concepten te ontwerpen.
Omdat robots in de toekomst bijna alle menselijke handelingen zullen vervangen, wil ik mijn lezers graag de fundamentele aspecten van het onderwerp op een eenvoudige maar informatieve manier overbrengen. Ik blijf ook graag op de hoogte van de ontwikkelingen in de lucht- en ruimtevaartindustrie.