Les systèmes de positionnement robotisé sont des systèmes de rails longs utilisés dans les entrepôts, les installations aérospatiales et automobiles pour permettre à un seul robot d'effectuer plusieurs tâches. Également appelés unités de transfert robotisé (UTR) ou systèmes à 7 axes, ces systèmes de déplacement sont de plus en plus courants pour l'assemblage, le soudage à grande échelle et l'entreposage.

Contrairement aux installations classiques où un robot est fixé au sol, les unités terminales distantes (RTU) déplacent les robots au sein des cellules de travail et des usines, assurant leur transport entre les postes de travail. Les installations les plus adaptées aux RTU sont celles en cours de construction ou celles où les processus et les machines associées peuvent être alignés. Lorsque les RTU déplacent des robots à six axes, les rails linéaires sont parfois appelés le septième axe (ou, plus rarement, le huitième axe lorsque le robot possède sept degrés de liberté). Lorsque ces rails font partie d'un châssis, notamment d'un châssis auquel le robot est suspendu, on parle de portique.

Quelle que soit la morphologie du robot ou du système de chenilles, l'intérêt de l'axe supplémentaire est d'ajouter un mouvement de translation. Ceci permet soit d'étendre la zone de travail, soit de transporter des pièces ou des outils. Dans certaines configurations, cela permet à un robot de gérer plusieurs machines, de prélever des palettes sur des rangées ou d'usiner des composants de très grande taille. Quant aux applications de translation, elles sont courantes pour l'emballage, le soudage, la découpe plasma et d'autres tâches mécaniques.

Nous nous concentrons ici sur les options d'entraînement pour les unités terminales distantes (RTU). Il convient toutefois de noter que les ingénieurs doivent également choisir parmi une gamme de guides et de paliers (généralement sous forme de suiveurs de came ou de guides profilés).

Les options de conception et de pilotage pour les unités terminales distantes (RTU) abondent
Bien que certains portiques comportent des structures permettant d'inverser les robots et de les suspendre pour faciliter l'accès aux machines par le haut, les unités terminales distantes (RTU) fixées au sol et orientant le robot en position verticale sont les plus courantes. Ces RTU supportent en moyenne des charges utiles plus élevées, pouvant transporter des bras robotisés et des charges de plusieurs tonnes.

Les ingénieurs peuvent acheter des unités terminales distantes (RTU) pré-conçues ou les construire en interne en s'appuyant sur leur expertise en systèmes de mouvement. Les plus simples sont des paires de rails linéaires supportant des plateformes sur lesquelles le robot est boulonné. Cependant, de nombreux équipementiers font appel à des intégrateurs spécialisés pour les applications nécessitant des robots embarqués sur des RTU pour des tâches de haute précision, comme la découpe (où la conception doit synchroniser l'articulation de plusieurs axes) ou le déplacement de pièces moulées à travers différentes machines-outils pour leur usinage.

Le principal défi de la conception des unités de transfert robotisées (UTR) réside dans leur programmation afin de se synchroniser avec l'articulation des bras robotisés qu'elles supportent. Le second défi majeur consiste à garantir la précision du mouvement linéaire des UTR sur plusieurs mètres.

Répondre aux exigences physiques pour les longs mouvements
Parfois, la vitesse est l'objectif principal de la conception des unités terminales distantes (RTU). C'est notamment le cas lorsque les RTU transportent des robots sur plusieurs centaines de mètres, voire davantage dans des configurations spécifiques. La notion de vitesse élevée, appliquée aux robots en mouvement (dont les bras peuvent peser plusieurs tonnes, charges comprises), est relative. Cependant, certaines RTU peuvent se déplacer à plus de 3 m/s avec une accélération de 1 g.

Cependant, la précision est souvent l'objectif principal de la conception des unités terminales distantes (RTU). Prenons l'exemple d'une application où un robot assiste une cellule de travail coopérative lors d'opérations d'usinage. Dans ce cas, la rapidité et l'extension de la zone de travail du robot ne sont utiles que si l'environnement extérieur garantit une précision optimale. Ces conceptions requièrent souvent une précision de l'ordre de 0,02 mm et une répétabilité de positionnement de l'ordre de 0,2 mm lors des déplacements.

En revanche, si une application utilise un bras robotisé pour des tâches qui mettent à l'épreuve les commandes adaptatives mais qui dépendent moins d'une précision absolue, d'autres configurations peuvent convenir. Il peut même s'agir d'un véhicule mobile équipé d'un bras robotisé, par exemple pour décharger des conteneurs.

Quel que soit leur modèle, la réduction des coûts de maintenance et la longue durée de vie sont essentielles pour toutes les unités terminales distantes (RTU), car elles sont généralement associées à plusieurs fonctions de l'usine et à de nombreuses autres machines. Par conséquent, les arrêts de production des RTU entraînent souvent l'indisponibilité d'autres stations.

La sécurité intégrée est également importante car de nombreuses unités terminales distantes (RTU) déplacent des robots dans des environnements où se trouvent des équipements coûteux tels que des machines-outils, voire des travailleurs, en particulier lorsqu'elles opèrent à proximité de zones où se trouve du personnel d'assemblage.

Courroies, vis et pneumatiques pour unités terminales distantes
Les portiques robotisés parcourant des distances linéaires moyennes utilisent souvent des moteurs associés à des transmissions par courroie. Ces systèmes relativement simples emploient des poulies entraînées par un moteur électrique pour tendre la courroie et accélérer rapidement. Cependant, pour les courses plus longues, des problèmes de déformation de la courroie peuvent survenir si le système ne parvient pas à maintenir la tension sur toute sa longueur. Précisons que le problème ne réside pas dans une limitation de la charge utile, mais plutôt dans un risque de perte de mouvement dû à la souplesse de la courroie.

Il existe des exceptions à la limitation d'évolutivité. Dans certaines unités terminales distantes (RTU), des axes à courroie (entraînés par un arbre de transmission commun) actionnent des manivelles harmoniques. Dans ce cas, les entraînements par courroie permettent de maintenir la précision du positionnement robotique à grande course sous certaines conditions. La plupart des RTU à entraînement par courroie performantes utilisent un châssis et des rails linéaires orientés de manière complémentaire afin d'optimiser la précision du système. Certaines de ces RTU, équipées d'actionneurs sur rails à entraînement par courroie, peuvent atteindre une répétabilité de ± 0,025 mm, même lors du déplacement de robots d'une tonne sur plusieurs mètres. Grâce à des rails adaptés, les actionneurs à courroie permettent de concevoir des RTU plus économiques et plus flexibles que les solutions alternatives.

Une autre option pour le septième axe est un axe entraîné par vis à billes. Ce système permet de pallier les vibrations et les effets de ressort pouvant survenir avec les entraînements par courroie. Un élément mécanique fixe assure un contrôle précis de l'arrêt et du positionnement.

Les vis à billes fonctionnent généralement bien sur des axes d'environ six mètres de long, grâce à des supports de roulement intermittents. Sur des axes plus longs, le principal problème est le fouettement des vis à haute vitesse, surtout si elles ne sont pas suffisamment soutenues. Cela est dû à la flexion des tiges de vis à billes sous leur propre poids. À une vitesse critique (qui dépend du diamètre, de la rectitude, de l'alignement et de la longueur non soutenue de la tige), le mouvement excite la fréquence naturelle de la tige. La vitesse maximale diminue donc avec l'augmentation de la longueur de la vis à billes.

Certains systèmes utilisent des paliers qui se séparent et se replient les uns sur les autres, puis restent en place pour soutenir la vis et permettre une extension plus importante sans à-coups. Cependant, pour les chenilles à vis à billes de très grande longueur, les fabricants doivent assembler plusieurs vis (généralement par collage plutôt que par soudage afin d'éviter toute déformation géométrique). Dans le cas contraire, la vis doit avoir un diamètre très important pour limiter les à-coups. Les courses de certains de ces systèmes à vis à billes atteignent 10 mètres et une vitesse de rotation de 4 000 tr/min. Autre point important : les vis des chenilles de robots doivent être protégées de la poussière et des débris. Néanmoins, lorsqu'elles sont utilisées, les unités terminales robotisées (RTU) utilisant des moteurs électriques associés à des vis à billes supportent des charges plus importantes que les axes à courroie.

Il existe également des systèmes hydrauliques pour les configurations à longue course. Ces unités terminales pneumatiques (RTU) constituent généralement une solution économique pour les applications nécessitant uniquement un positionnement en deux étapes (aller-retour). Les modèles standards offrent une vitesse de déplacement de 2 m/s et s'intègrent aux autres systèmes de commande du robot.

Moteurs linéaires pour unités terminales distantes de précision
Les unités terminales distantes (RTU) à longue course (utilisées par exemple en robotique de laboratoire) peuvent être équipées de moteurs linéaires. La plupart de ces RTU intègrent également une électronique de pointe, des codeurs absolus et un système de contrôle de mouvement pour le suivi des axes, même après des erreurs ou des arrêts.

La portée typique d'un moteur linéaire est d'environ quatre mètres. Cette portée est plus adaptée aux opérations de prélèvement et de placement ainsi qu'à la manipulation de plaquettes de semi-conducteurs qu'aux applications RTU plus lourdes. En résumé, les moteurs linéaires dans les RTU représentent un défi particulier car, tout en garantissant une grande précision mécanique, ils doivent supporter des charges importantes. Ceci implique l'utilisation accrue d'aimants permanents coûteux, éléments essentiels au bon fonctionnement des moteurs linéaires.

Il existe des exceptions. Une unité terminale distante (RTU) record au monde, équipée d'actionneurs linéaires en tandem, a été commandée et conçue sur mesure pour une installation d'automatisation nécessitant des déplacements précis jusqu'à 12 m. Des rails de support rigides en aluminium fonctionnent avec deux roulements à billes à recirculation linéaire à six rangées et des ensembles de guidage. Deux moteurs linéaires synchrones à encoches produisent une force de 4 200 N.

Ensembles crémaillère-pignon pour RTU
Les unités terminales robotisées (RTU) disponibles dans le commerce et utilisant des systèmes pignon-crémaillère sont les plus courantes. Leur longueur typique atteint 15 mètres. La commande de l'unité linéaire est intégrée comme axe couplé mathématiquement dans le contrôleur du robot, ce qui élimine le besoin d'un contrôleur supplémentaire. De nombreuses RTU de ce type conservent une précision jusqu'à des courses de 30 mètres grâce à l'association d'un servomoteur à courant alternatif sans balais et d'un réducteur planétaire avec des systèmes pignon-crémaillère hélicoïdaux rectifiés. D'autres configurations utilisent un chariot se déplaçant sur un rail à simple bord grâce à des rouleaux robustes intégrés dans un bloc. Dans ce cas, les rails sont généralement rectangulaires avec une crémaillère taillée dans un bord intérieur. Ces rails peuvent être assemblés avec des segments courbes lorsque cela s'avère utile.

Certains modules de transport robotisé (RTU) qui déplacent le robot sur la plateforme mobile utilisent des rails à surface plane en acier trempé, associés à des ensembles came-suiveur. D'autres utilisent un moteur électrique avec un réducteur à engrenages coniques hélicoïdaux et une courroie pour actionner la plateforme. Sur l'axe longitudinal de la navette, le RTU est équipé d'un motoréducteur électrique entraînant un pignon qui s'engrène avec une crémaillère.

Simulation et programmation des RTU
Des outils permettent aux ingénieurs de planifier les trajectoires des unités terminales distantes (RTU) et de les coordonner avec les fonctions du robot. Les logiciels de simulation robotique, et même certains modules de contrôle de mouvement, permettent aux ingénieurs de planifier les trajectoires, de charger le logiciel correspondant sur un contrôleur, puis de piloter le robot et l'unité terminale distante avec ce seul matériel.

Une autre option consiste à utiliser les logiciels proposés par des sociétés spécialisées qui vendent des kits de développement robotique. Ces logiciels permettent de programmer la plupart des robots, quelle que soit leur marque, via des API. Ces outils, parmi tant d'autres, simplifient considérablement la configuration des robots, notamment pour les équipes ayant une expérience modérée en commande de mouvement ou en usinage CNC. Les premières itérations de conception se font généralement par programmation hors ligne sur PC. Lors de l'installation du robot et de l'unité terminale distante (RTU), le logiciel de programmation génère un code qui est chargé sur les commandes. Le logiciel pilote la RTU et le robot selon des trajectoires programmées afin de détecter d'éventuels problèmes. L'installateur utilise ensuite une console de commande pour positionner la pince, la fraise ou l'effecteur du robot aux points précis de la tâche, tandis que le contrôleur enregistre les mouvements. Il est également possible d'utiliser une console de commande pour l'ensemble de la configuration, puis d'optimiser les trajectoires ultérieurement ; une approche de plus en plus courante.

Attention : les RTU compliquent l'étalonnage des robots
Après l'installation physique, les unités terminales distantes (RTU) et les robots nécessitent un étalonnage. Le problème est que les robots industriels associés aux RTU effectuent souvent des mouvements répétables mais imprécis, ce qui engendre un mouvement de sortie différent des approximations de simulation. Seuls, les robots industriels présentent une répétabilité unidirectionnelle moyenne de 0,1 mm à 0,01 mm. Les axes typiques associent un réducteur sans jeu et un moteur, et un contrôleur assure le suivi de l'ensemble grâce à des codeurs haute résolution. Améliorer davantage la précision du mouvement de sortie devient coûteux, car les assemblages et les composants tels que les engrenages introduisent des pertes de mouvement (principalement dues à la compliance mécanique). Par conséquent, les systèmes de contrôle doivent souvent compenser des erreurs de positionnement de l'ordre du millimètre, voire plus.

L'étalonnage traditionnel des robots utilise un alignement laser coûteux. Cette méthode permet parfois de réduire l'erreur de mesure d'un facteur vingt. Les fabricants de robots proposent également un étalonnage en usine. Des entreprises spécialisées dans l'étalonnage de robots offrent des services prenant en compte l'impact d'une unité terminale distante (RTU) supplémentaire sur la précision globale du robot. Par ailleurs, les capteurs à double caméra permettent l'inspection par palpage et la mesure dynamique grâce à un système optique et un éclairage spécifique. L'étalonnage mécanique est une autre option, bien que plus difficile à mettre en œuvre pour les robots sur de longs rails.