Les systèmes de positionnement de robots sont de longues pistes dans les entrepôts, les installations aérospatiales et automobiles permettant à un robot d'effectuer plusieurs tâches. Également appelées unités de transfert de robot ou RTU ou systèmes du 7ème axe, ces conceptions de mouvement sont de plus en plus courantes pour l'assemblage, le soudage à grande échelle et l'entreposage.

Contrairement aux configurations typiques dans lesquelles un robot se fixe au sol, les RTU déplacent les robots à travers les cellules de travail et les usines et les font circuler entre les stations. Les meilleures configurations pour les RTU sont celles qui viennent d'être construites ou celles dans lesquelles les processus et les machines associées peuvent être alignés. Lorsque les RTU déplacent des robots à six axes, les pistes linéaires sont aussi parfois appelées septième axe (ou plus rarement, lorsque le robot lui-même a sept degrés de liberté, huitième axe). Lorsque ces chenilles font partie d'un bâti, y compris les bâtis auxquels le robot est suspendu, ce sont des portiques.

Quelle que soit la morphologie du robot ou de la chenille, le but de l'axe supplémentaire est d'ajouter un mouvement de translation. Cela étend l'enveloppe de travail ou permet à un robot de transporter des pièces ou des outils. Dans certaines configurations, le premier permet à un robot de s'occuper de plusieurs machines ou de prélever des palettes dans des rangées, ou d'usiner de très gros composants. Pour ces dernières, les applications courantes sont l’emballage, le soudage, le coupage à l’arc plasma et d’autres tâches mécaniques.

Ici, nous nous concentrons sur les options de lecteur pour les RTU. Cependant, notez que les ingénieurs doivent également choisir entre un ensemble de guides et de roulements (généralement sous la forme de suiveurs de came ou de guides profilés).

Les options de conception et de pilotage pour les RTU abondent
Bien que certains portiques incluent un cadre pour inverser les robots et les suspendre pour un meilleur accès aux machines par le haut, les RTU qui se boulonnent au sol et orientent le robot à la verticale sont les plus courantes. Ces RTU ont en moyenne des charges utiles plus élevées, transportant des bras de robot et des charges saisies pesant des milliers de livres.

Les ingénieurs peuvent acheter des RTU préconçus ou construire des RTU en interne en utilisant leur expertise en matière de systèmes de mouvement. Les plus simples sont des paires de rails linéaires qui supportent des plates-formes sur lesquelles le robot se boulonne. Cependant, de nombreux équipementiers font appel à des intégrateurs dédiés pour les situations dans lesquelles les robots des RTU effectueront des travaux de haute précision, par exemple une tâche de découpe (où la conception doit synchroniser l'articulation de plusieurs axes) ou le déplacement de pièces moulées à travers diverses machines-outils pour le traitement.

Le plus grand défi de l’ingénierie des unités de transfert de robots est de les programmer pour qu’elles se synchronisent avec l’articulation des bras robotiques qu’ils transportent. Le deuxième plus grand défi consiste à amener les RTU à maintenir un mouvement linéaire précis sur plusieurs mètres.

Répondre aux exigences physiques des mouvements longs
Parfois, la vitesse est l’objectif primordial de la conception des RTU. Cela est particulièrement vrai lorsque les RTU transportent des robots sur une distance de quelques centaines de pieds, voire plus, dans des configurations spécialisées. La vitesse élevée dans le contexte de robots en mouvement – ​​parfois des bras pesant des milliers de livres plus leur charge utile – est relative. Cependant, certains RTU peuvent se déplacer à plus de 10 pieds/sec avec une accélération jusqu'à un g.

Mais souvent, la précision est l’objectif primordial de la conception des RTU. Prenons par exemple une application dans laquelle un robot aide une cellule de travail coopérative à usiner. Ici, la rapidité et l’extension de l’enveloppe de travail du robot ne sont utiles que si le cadre environnant peut maintenir la précision. De telles conceptions nécessitent souvent une précision de 0,02 mm et une répétabilité de positionnement d'environ 0,2 mm pendant les mouvements des rails.

En revanche, si une application utilise un bras robotique pour des applications qui mettent les commandes adaptatives à l'épreuve mais dépendent moins d'une précision absolue, d'autres configurations peuvent fonctionner. Cela peut même prendre la forme d'un véhicule mobile équipé d'un bras robotisé, par exemple pour décharger des conteneurs maritimes.

Quelle que soit la conception, une maintenance réduite et une longue durée de vie sont cruciales pour toutes les configurations RTU, car elles sont généralement associées à plusieurs fonctions de l'usine et à plusieurs autres machines. Par conséquent, les temps d’arrêt du RTU mettent souvent d’autres stations hors service.

La sécurité intégrée est également importante car de nombreuses RTU déplacent la robotique dans des domaines peuplés d'équipements coûteux tels que des machines-outils ou même des travailleurs, en particulier lorsqu'elles opèrent à proximité de zones avec du personnel d'assemblage.

Courroies, vis et pneumatiques pour RTU
Les portiques de robots parcourant des distances linéaires moyennes utilisent souvent des moteurs associés à des entraînements par courroie. Il s'agit de systèmes relativement simples qui utilisent des poulies entraînées par un moteur électrique pour créer une tension le long d'une courroie et accélérer rapidement. Cependant, à mesure qu'elles atteignent des courses plus longues, des problèmes d'affaissement des courroies peuvent survenir si le système ne parvient pas à maintenir la tension sur toute la longueur. Pour être clair, le problème n’est pas la limitation de la charge utile. Il s'agit plutôt d'un risque de perte de mouvement dû à la conformité de la ceinture.

Il existe des exceptions à la mise en garde relative à l’évolutivité. Dans certains RTU, les axes à courroie (entraînés par un arbre de transmission commun) entraînent des manivelles harmoniques. Ici, les entraînements par courroie peuvent maintenir la précision du positionnement robotique à longue course dans les bonnes conditions. Les RTU à entraînement par courroie les plus performants utilisent des pistes de charpente et linéaires dans des orientations complémentaires pour obtenir plus de précision de la configuration à entraînement par courroie. Certains de ces RTU équipés d'actionneurs ferroviaires entraînés par courroie peuvent maintenir une répétabilité à ± 0,001 pouce, même en déplaçant des robots d'une tonne sur des dizaines de pieds. Ici (grâce aux rails appropriés), les actionneurs entraînés par courroie constituent des RTU moins chers et plus flexibles que les alternatives.

Une autre option pour le septième axe est un axe entraîné par vis à billes. Cette configuration traite les vibrations et les ressorts qui peuvent survenir dans les entraînements par courroie. Essentiellement, un élément mécanique fixe maintient le contrôle pour un arrêt et un positionnement précis.

Les vis à billes fonctionnent généralement bien dans des configurations d'environ six mètres de long à l'aide de supports de roulements intermittents. Sur les axes plus longs, le principal problème est que les vis fouettent à grande vitesse, surtout si elles ne bénéficient pas d'un support suffisant. En effet, les arbres de vis à billes se plient sous leur propre poids. Ensuite, à une vitesse critique (fonction du diamètre de l'arbre de vis, de la rectitude, de l'alignement et de la longueur non supportée), le mouvement excite la fréquence propre de l'arbre. Ainsi, la vitesse maximale diminue à mesure que la longueur de la vis à billes augmente.

Certaines configurations utilisent des blocs de roulement qui se séparent et s'effondrent ensemble, puis restent et soutiennent la vis pour une extension plus longue sans fouet. Cependant, pour les chenilles à vis à billes extra longues, les fabricants doivent assembler plusieurs vis (généralement avec de la colle au lieu de souder pour éviter une géométrie déformée). Sinon, la vis doit avoir un diamètre extra-large pour résoudre le problème du fouet. Les courses de certaines de ces configurations basées sur des vis à billes atteignent 10 mètres et fonctionnent jusqu'à 4 000 tr/min. Autre mise en garde : les vis des chenilles du robot doivent être protégées de la saleté et des débris. Cependant, là où ils fonctionnent, les RTU utilisant des moteurs électriques associés à des vis à billes supportent des charges plus importantes que les axes entraînés par courroie.

Il existe également de l'énergie fluidique pour les configurations à longue course. De tels RTU pneumatiques constituent généralement une solution peu coûteuse pour les applications qui nécessitent uniquement un positionnement aller-retour à deux arrêts. Les offres moyennes se déplacent à 2 m/s et s'intègrent à d'autres commandes de robot.

Moteurs linéaires pour RTU de précision
Les RTU à longue course (pour une utilisation en robotique de laboratoire, par exemple) peuvent utiliser des entraînements à moteur linéaire. La plupart de ces RTU incluent également une électronique de pointe, des codeurs absolus et un 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. Une telle portée est plus adaptée au pick-and-place et à la manipulation de tranches de semi-conducteurs qu'aux applications RTU plus lourdes. En bref, les moteurs linéaires des RTU sont particulièrement difficiles car ils offrent une précision mécanique mais doivent supporter de lourdes charges utiles. Cela nécessite davantage d’aimants permanents coûteux qui permettent aux moteurs linéaires de si bien fonctionner.

Il y a des exceptions. Une RTU record du monde avec des actionneurs linéaires tandem a été mise en service et construite sur mesure pour une configuration d'automatisation nécessitant des mouvements précis jusqu'à 12 m. Les rails de support rigides en aluminium fonctionnent avec deux roulements à recirculation de billes linéaires à six rangées et des ensembles de guidage. Les moteurs linéaires synchrones à double fente produisent une force de 4 200 N.

Jeux à crémaillère et pignon pour RTU
Les RTU disponibles dans le commerce utilisant des ensembles à crémaillère et pignon sont les plus courants. Les longueurs typiques atteignent 15 mètres. Le contrôle de l'unité linéaire est intégré sous forme d'axe mathématiquement couplé dans le contrôleur du robot, ce qui élimine le besoin d'un contrôleur supplémentaire. Beaucoup de ces RTU maintiennent la précision même jusqu'à des courses de 30 mètres en associant un servomoteur à courant alternatif sans balais et un réducteur planétaire à des ensembles hélicoïdaux à crémaillère et pignon rectifiés. D'autres configurations utilisent un chariot qui se déplace sur un rail à un seul bord sur des rouleaux robustes en bloc. Ici, les rails sont généralement rectangulaires avec une crémaillère découpée dans un bord intérieur. Ceux-ci peuvent se joindre à des segments courbes pour une disposition utile.

Certaines RTU qui déplacent le robot sur la plate-forme mobile utilisent des rails à surface plane en acier trempé et les associent à des groupes de suiveurs de came. D'autres utilisent un moteur électrique avec un réducteur de biseau hélicoïdal et une courroie pour alimenter la plate-forme. Puis sur l'axe long de la navette, la RTU arbore un motoréducteur électrique entraînant un pignon engrenant une crémaillère.

RTU de simulation et de programmation
Des outils existent pour permettre aux ingénieurs de planifier les trajectoires des RTU et de les coordonner avec les fonctions du robot. Les logiciels de simulation de robot et même certains modules de contrôleur de mouvement permettent aux ingénieurs de planifier des pistes, de charger le logiciel résultant sur un contrôleur, puis de contrôler le robot et la RTU avec ce seul élément matériel.

Une autre option consiste à utiliser des logiciels provenant de sociétés de logiciels dédiées qui vendent des kits de développement de robots, qui permettent la programmation de la plupart des marques de robots via des API. Ces outils logiciels, ainsi qu'une myriade d'autres, rendent la configuration du robot plus facile que jamais, en particulier pour les équipes ayant une expérience modérée en contrôle de mouvement ou en CNC. Les itérations de conception initiales se font généralement via une programmation PC hors ligne. Ensuite, lorsque le personnel installe le robot et le RTU, le logiciel de programmation génère du code qui se charge sur les commandes. Le logiciel pilote la RTU et le robot via des chemins programmés pour détecter les problèmes. Ensuite, l'installateur utilise un pendentif pour positionner la pince, le couteau ou l'effecteur final du robot à des points spécifiques à la tâche dans l'espace pendant que le contrôleur enregistre les mouvements. Sinon, les installateurs peuvent utiliser un pendentif pour l'ensemble de la configuration, puis peaufiner les trajectoires sur le backend, une approche de plus en plus courante.

Attention : les RTU compliquent l'étalonnage des robots
Après la configuration physique, les RTU et les robots doivent être calibrés. Le problème est que les robots industriels associés à des RTU effectuent souvent des mouvements répétables mais peu précis, ce qui donne un mouvement de sortie différent des approximations de simulation. Seuls, les robots industriels ont une répétabilité unidirectionnelle moyenne de 0,1 mm à 0,01 mm. Les axes typiques associent un réducteur et un moteur sans jeu, et un contrôleur les suit tous avec des encodeurs haute résolution. Augmenter davantage la précision du mouvement de sortie devient coûteux, car les assemblages et les composants tels que les engrenages introduisent une perte de mouvement (principalement en raison de la conformité mécanique). Par conséquent, les contrôles doivent souvent compenser l’erreur de position sur une échelle millimétrique dans certains cas.

L’étalonnage traditionnel des robots utilise un alignement laser coûteux. Parfois, cela peut diviser par vingt l’erreur de sortie. Sinon, les fabricants de robots proposent un étalonnage en usine. Des sociétés dédiées à l'étalonnage de robots proposent également des services qui peuvent prendre en compte l'effet d'une RTU supplémentaire sur la précision globale du robot. Sinon, des capteurs à double caméra permettent une inspection par sondage et une mesure dynamique via une optique et un éclairage spécial. Les modes d'étalonnage mécaniques sont une autre option, bien qu'ils soient plus difficiles à appliquer aux robots sur de longues pistes.