Les systèmes de positionnement robotique sont de longs rails utilisés dans les entrepôts, l'aéronautique et l'automobile, permettant à un robot d'effectuer plusieurs tâches. Également appelés unités de transfert robotique (RTU) ou systèmes à 7 axes, ces systèmes de mouvement sont de plus en plus courants pour l'assemblage, le soudage à grande échelle et l'entreposage.

Contrairement aux configurations classiques où un robot est fixé au sol, les RTU déplacent les robots à travers les cellules de travail et les usines et les transportent entre les stations. Les configurations les plus adaptées pour les 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 septième axe (ou, plus rarement, huitième axe lorsque le robot possède sept degrés de liberté). Lorsque ces rails font partie d'un châssis, y compris les châssis auxquels le robot est suspendu, on parle de portiques.

Quelle que soit la morphologie du robot ou de la voie, l'intérêt d'un axe supplémentaire est d'ajouter un mouvement de translation. Cela permet soit d'étendre l'enveloppe de travail, soit de transporter des pièces ou des outils. Dans certains cas, le premier permet au robot de surveiller plusieurs machines, de prélever des palettes sur des rangées, ou d'usiner de très grandes pièces. Pour le second, les applications courantes sont l'emballage, le soudage, le coupage plasma et d'autres tâches mécaniques.

Nous nous concentrons ici sur les options d'entraînement pour les RTU. Cependant, il convient de noter que les ingénieurs doivent également choisir entre une gamme de guides et de roulements (généralement sous forme de galets suiveurs ou de guides profilés).

Les options de conception et d'entraînement pour les RTU abondent
Bien que certains portiques soient équipés d'un cadre permettant d'inverser les robots et de les suspendre pour faciliter l'accès aux machines par le haut, les RTU boulonnés au sol et orientant le robot verticalement sont les plus courants. Ces RTU ont en moyenne des charges utiles plus élevées, transportant des bras robotisés et des charges préhensibles pesant des milliers de kilos.

Les ingénieurs peuvent acheter des RTU pré-conçus ou les construire en interne grâce à leur expertise en systèmes de mouvement. Les plus simples sont des paires de rails linéaires supportant des plateformes sur lesquelles le robot se fixe. Cependant, de nombreux OEM font appel à des intégrateurs dédiés pour les situations où les robots sur RTU doivent effectuer des tâches 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 entre différentes machines-outils pour leur usinage.

Le plus grand défi de la conception d'unités de transfert robotisées est de les programmer pour qu'elles se synchronisent avec l'articulation des bras robotisés qu'elles transportent. Le deuxième défi majeur est de permettre aux RTU de maintenir un mouvement linéaire précis sur plusieurs mètres.

Répondre aux exigences physiques pour les courses longues
Parfois, la vitesse est l'objectif primordial de la conception d'une RTU. C'est particulièrement vrai lorsque les RTU transportent des robots sur plus de 200 mètres, voire plus, dans des configurations spécialisées. La vitesse élevée dans le contexte de robots en mouvement – ​​parfois des bras pesant des milliers de kilos plus leur charge utile – est relative. Cependant, certaines RTU peuvent se déplacer à plus de 3 mètres par seconde avec une accélération pouvant atteindre 1 g.

Mais souvent, la précision est l'objectif primordial de la conception d'une unité de travail distante. Prenons l'exemple d'une application où un robot assiste une cellule de travail coopérative dans l'usinage. Dans ce cas, la rapidité et l'extension de l'enveloppe de travail du robot ne sont utiles que si le cadre environnant assure une précision optimale. De telles conceptions nécessitent souvent une précision de 0,02 mm et une répétabilité de positionnement d'environ 0,2 mm lors des mouvements de la chenille.

En revanche, si une application utilise un bras robotisé pour des applications qui mettent à l'épreuve les commandes adaptatives, mais qui sont moins dépendantes 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 essentielles pour toutes les installations RTU, car elles sont généralement associées à plusieurs fonctions de l'usine et à plusieurs autres machines. Par conséquent, les arrêts des RTU entraînent souvent la mise hors service d'autres stations.

La sécurité intégrée est également importante car de nombreuses RTU déplacent des robots dans des champs peuplés d'équipements coûteux tels que des machines-outils ou même des travailleurs, en particulier lorsqu'ils opèrent autour de zones avec du personnel d'assemblage.

Courroies, vis et pneumatiques pour RTU
Les portiques robotisés parcourant des distances linéaires moyennes utilisent souvent des moteurs couplés à des courroies. Ces systèmes relativement simples utilisent des poulies entraînées par moteur électrique pour créer une tension le long de la courroie et accélérer rapidement. Cependant, à mesure que les courses augmentent, des problèmes peuvent survenir : les courroies s'affaissent si le système ne parvient pas à maintenir la tension sur toute la longueur. En clair, le problème ne réside pas dans la limitation de la charge utile, mais plutôt dans le risque de perte de mouvement dû à la souplesse de la courroie.

Il existe des exceptions à la mise en garde concernant l'évolutivité. Dans certaines RTU, les axes à courroie (entraînés par un arbre de transmission commun) entraînent des manivelles harmoniques. Dans ce cas, les entraînements par courroie permettent de maintenir la précision du positionnement robotique à grande course dans des conditions optimales. La plupart des RTU à entraînement par courroie performants utilisent des rails de guidage et des rails linéaires dans des orientations complémentaires pour optimiser la précision de la configuration à entraînement par courroie. Certaines de ces RTU équipées d'actionneurs à rail entraînés par courroie peuvent maintenir une répétabilité de ± 0,001 pouce, même en déplaçant des robots d'une tonne sur plusieurs dizaines de mètres. Dans ce cas, grâce aux rails adaptés, les actionneurs à courroie permettent de fabriquer des RTU plus économiques et plus flexibles que les autres solutions.

Une autre option pour le septième axe est un axe entraîné par vis à billes. Cette configuration permet de gérer les vibrations et les ressorts qui peuvent survenir dans les transmissions par courroie. Un élément mécanique fixe assure le contrôle pour un arrêt et un positionnement précis.

Les vis à billes fonctionnent généralement bien dans des configurations jusqu'à environ six mètres de long, grâce à des paliers à 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 des vis à billes se plient sous leur propre poids. À une vitesse critique (fonction du diamètre de l'arbre de la vis, de sa rectitude, de son alignement et de sa longueur sans support), le mouvement excite la fréquence naturelle de l'arbre. Ainsi, la vitesse maximale diminue à mesure que la longueur de la vis à billes augmente.

Certaines configurations utilisent des paliers qui se séparent et se replient ensemble, puis restent en place 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 plutôt que par soudure pour éviter une géométrie déformée). Sinon, la vis doit avoir un diamètre extra-large pour éviter le fouet. Les courses de certaines de ces configurations à vis à billes atteignent 10 mètres et atteignent 4 000 tr/min. Autre avertissement : les vis des chenilles de robot doivent être protégées de la saleté et des débris. Cependant, lorsqu'elles fonctionnent, les RTU utilisant des moteurs électriques couplés 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 grande course. Ces RTU pneumatiques constituent généralement une solution économique pour les applications nécessitant uniquement un positionnement aller-retour à deux arrêts. Les modèles standard se déplacent à 2 m/s et s'intègrent aux autres commandes du robot.

Moteurs linéaires pour RTU de précision
Les RTU à grande course (utilisés en robotique de laboratoire, par exemple) peuvent utiliser des entraînements par moteur linéaire. La plupart de ces RTU intègrent 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. Cette portée est plus adaptée aux applications de pick-and-place et de manutention de plaquettes de semi-conducteurs qu'aux applications RTU plus lourdes. En résumé, les moteurs linéaires dans les RTU représentent un défi particulier, car ils offrent une précision mécanique élevée, mais doivent supporter de lourdes charges utiles. Cela nécessite davantage d'aimants permanents coûteux, qui assurent les performances exceptionnelles des moteurs linéaires.

Il existe des exceptions. Un RTU, un record du monde, équipé d'actionneurs linéaires tandem, a été commandé et fabriqué sur mesure pour une configuration d'automatisation nécessitant des déplacements de précision jusqu'à 12 m. Des rails de support rigides en aluminium fonctionnent avec deux roulements à billes à recirculation de six rangées et des rails de guidage. Deux moteurs linéaires synchrones à fentes produisent une force de 4 200 N.

Ensembles de crémaillère et pignon pour RTU
Les RTU disponibles dans le commerce utilisant des ensembles pignon-crémaillère sont les plus courantes. Leur longueur typique atteint 15 mètres. Le contrôle de l'unité linéaire est intégré sous forme d'axe couplé mathématiquement au contrôleur du robot, ce qui élimine le besoin d'un contrôleur supplémentaire. De nombreuses RTU maintiennent leur précision même sur des courses de 30 mètres grâce à l'association d'un servomoteur à courant alternatif sans balais et d'un réducteur planétaire à des ensembles pignon-crémaillère hélicoïdaux rectifiés. D'autres configurations utilisent un chariot se déplaçant sur un rail à bord unique, monté sur des rouleaux robustes en bloc. Ici, les rails sont généralement rectangulaires avec une crémaillère découpée sur un bord intérieur. Ceux-ci peuvent être reliés à des segments courbes lorsque cela s'avère utile.

Certaines RTU qui déplacent le robot sur la plateforme mobile utilisent des rails plats en acier trempé associés à des groupes de galets suiveurs. D'autres utilisent un moteur électrique avec réducteur à engrenages hélicoïdaux et courroie pour alimenter la plateforme. Sur l'axe long de la navette, la RTU est équipée d'un motoréducteur électrique entraînant un pignon en prise avec une crémaillère.

RTU de simulation et de programmation
Il existe des outils permettant 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 contrôle de mouvement permettent aux ingénieurs de planifier les trajectoires, de charger le logiciel résultant sur un contrôleur, puis de contrôler le robot et la RTU avec ce même matériel.

Une autre option est l'utilisation de logiciels proposés par des éditeurs spécialisés qui vendent des kits de développement robotique, permettant la programmation de la plupart des robots de toutes marques via des API. Ces outils, ainsi qu'une multitude d'autres, simplifient plus que jamais la configuration des robots, notamment pour les équipes ayant une expérience modérée en contrôle de mouvement ou en CNC. Les premières itérations de conception s'effectuent généralement par programmation hors ligne sur PC. Ensuite, lors de l'installation du robot et de l'unité de commande, le logiciel de programmation génère du code qui se charge sur les commandes. Le logiciel pilote l'unité de commande et le robot à travers des trajectoires programmées pour détecter d'éventuels problèmes. Ensuite, l'installateur utilise un boîtier de commande pour positionner la pince, la fraise ou l'effecteur terminal du robot à des points spécifiques de l'espace, tandis que le contrôleur enregistre les mouvements. Sinon, les installateurs peuvent utiliser un boîtier de commande pour l'ensemble de la configuration, puis peaufiner les trajectoires en arrière-plan – 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 imprécis, ce qui produit 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 grâce à des encodeurs haute résolution. Améliorer davantage la précision du mouvement de sortie devient coûteux, car les assemblages et les composants tels que les engrenages introduisent des mouvements morts (principalement dus à la compliance mécanique). Par conséquent, les commandes doivent souvent compenser des erreurs de positionnement de l'ordre du millimètre 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. Les entreprises spécialisées dans l'étalonnage des robots proposent également des services permettant de prendre en compte l'impact d'une unité de traitement de données supplémentaire sur la précision globale du robot. Des capteurs à double caméra permettent également l'inspection par palpage et la mesure dynamique grâce à des optiques et un éclairage spécifique. Les modes d'étalonnage mécaniques constituent une autre option, bien qu'ils soient plus difficiles à appliquer aux robots sur de longues pistes.