Concevoir une automatisation complète pour les applications de prélèvement et de placement à grande vitesse figure parmi les défis les plus complexes auxquels sont confrontés les ingénieurs en mouvement. Face à la complexité croissante des systèmes robotiques et à l'augmentation constante des cadences de production, les concepteurs de systèmes doivent impérativement intégrer les dernières technologies sous peine de proposer une conception sous-optimale. Passons en revue certaines des technologies et des composants les plus récents, et examinons leurs domaines d'application.

Les bras robotisés conviennent aux conceptions compactes

Les bras robotisés industriels ne sont généralement pas réputés pour leur agilité. Au contraire, la plupart présentent une structure robuste conçue pour supporter des outils lourds en bout de bras. Malgré les avantages d'une conception solide, ces bras robotisés sont trop lourds et encombrants pour les applications délicates. Afin de rendre les bras plus agiles et adaptés aux tâches légères, les ingénieurs d'igus Inc., basés à Cologne, en Allemagne, ont entrepris de développer une articulation multiaxes permettant aux petites charges de pivoter autour d'un bras articulé. Cette nouvelle articulation est parfaitement adaptée aux applications de prélèvement et de placement délicates, où la force de préhension peut être ajustée selon les besoins.

La flexibilité et la légèreté sont des paramètres de conception essentiels pour cette nouvelle articulation, composée de pièces en plastique et de câbles. Concrètement, les câbles sont actionnés depuis l'articulation de l'épaule du bras par des servomoteurs CC sans balais compacts FAULHABER, ce qui élimine l'inertie du bras, facilite les mouvements dynamiques et minimise l'encombrement.

Les ingénieurs se sont largement inspirés de l'articulation du coude humain pour concevoir ce bras robotisé. Ainsi, deux degrés de liberté (rotation et pivotement) sont combinés en une seule articulation. À l'instar d'un bras humain, le point faible du bras robotisé n'est ni les os (le corps du bras) ni les muscles (le moteur d'entraînement), mais les tendons, qui transmettent la puissance. Les câbles de commande haute tension sont fabriqués en polyéthylène UHMW-PE ultra-résistant, offrant une résistance à la traction de 3 000 à 4 000 N/mm². Outre les fonctions traditionnelles des bras robotisés, telles que la manipulation d'objets, cette articulation est également parfaitement adaptée aux fixations de caméras, aux capteurs et autres outils nécessitant une construction légère. Un capteur de position angulaire magnétique est intégré à chaque articulation pour une précision optimale.

Les servomoteurs à commutation électronique présentent une faible masse mobile, idéale pour une utilisation dynamique : leur tension de fonctionnement de 24 Vcc est conçue pour une alimentation par batterie, un atout essentiel pour les applications mobiles, tandis que leur couple moteur de 97 mNm permet d’atteindre les valeurs requises pour le fonctionnement du bras grâce à l’adaptation du diamètre des réducteurs planétaires. De plus, ces moteurs sans balais ne comportent aucune pièce d’usure, hormis le roulement du rotor, ce qui leur assure une durée de vie de plusieurs dizaines de milliers d’heures.

Un système de mouvement linéaire accélère l'automatisation des laboratoires

Au-delà des opérations traditionnelles d'emballage et d'assemblage, le prélèvement et le placement se généralisent dans l'automatisation des laboratoires à haute vitesse. Imaginez manipuler des millions d'échantillons de bactéries chaque jour : vous aurez une idée des tâches que doivent accomplir les laboratoires de biotechnologie actuels. Dans une configuration, un système de mouvement linéaire avancé permet à un robot de laboratoire de biotechnologie appelé RoToR de déposer des matrices de cellules à une vitesse record de plus de 200 000 échantillons par heure. Fabriqué par Singer Instruments (Somerset, Royaume-Uni), RoToR est utilisé comme système d'automatisation de paillasse pour la recherche en génétique, génomique et cancérologie. Un seul de ces robots dessert souvent plusieurs laboratoires, les scientifiques réservant de courts créneaux horaires pour la réplication, l'appariement, le réarrangement et la sauvegarde de banques de bactéries et de levures.

Un contrôleur temps réel gère les trois axes de mouvement qui coordonnent les déplacements de point à point du robot, ainsi qu'un axe de manipulation d'échantillons, et assure l'interface avec l'interface graphique du robot. De plus, ce contrôleur gère également tous les canaux d'entrée/sortie.

Outre le contrôleur, Baldor a également fourni un servomoteur linéaire et son variateur, ainsi que trois modules intégrés de moteurs pas à pas et leurs variateurs. Le robot effectue des transferts point à point entre les plaques source et destination le long d'un axe de servomoteur linéaire qui parcourt toute la largeur de la machine. Cet axe supporte une tête à deux moteurs pas à pas qui contrôle l'action de fixation. De fait, le mouvement combiné XYZ permet même de mélanger les échantillons grâce à un mouvement hélicoïdal complexe. L'axe de moteur pas à pas distinct contrôle le mécanisme de chargement des têtes de fixation. Des pinces et des rotateurs pneumatiques contrôlent les autres mouvements de la machine, tels que la prise et l'éjection des têtes de fixation en début et en fin d'opération.

Singer avait initialement prévu d'utiliser un entraînement pneumatique pour l'axe transversal principal, mais cette conception ne permettait pas d'atteindre la résolution et la vitesse de positionnement souhaitées, et s'avérait trop bruyante pour un environnement de laboratoire. C'est alors que les ingénieurs se sont tournés vers les moteurs linéaires. Baldor a créé un servomoteur linéaire sans balais sur mesure, en modifiant mécaniquement le rail linéaire afin qu'il ne soit supporté qu'à ses extrémités, et non sur toute sa longueur. Ainsi, le dispositif de force du moteur fait office de portique pour l'axe X, supportant les axes Y et Z. Enfin, la conception magnétique du moteur linéaire minimise les à-coups pour assurer un mouvement fluide.