直交（ガントリー）ロボットが垂直多関節アームを上回る4つの主な利点

Futura Automation, LLC（www.futura-automation.com）は、ロボティクス、自動化、モーション制御ソリューションを提供しています。今週のFutura Automationニュースレターでは、他の主要産業用ロボットトポロジーである#垂直多関節、デルタ、SCARAと比較して、特にMacron Dynamics, Inc.供給の直交ロボットの利点を説明します。この記事では、直交ロボットの4つの主要な利点を説明します：

• 設計の柔軟性
• 大幅に長いリーチ（移動距離）
• より大きなペイロード
• コスト削減

多くの人は、自動車溶接ラインやケース包装・パレタイズで頻繁にメディアに登場する6軸（垂直多関節）ロボットアームを知っています。#デルタロボットは、主に食品包装で2つのコンベアベルト間の大量ピックアンドプレースに人気です。#SCARAまたは4軸アームは、産業用ロボットのもう一つの一般的なフォームファクターです。SCARAは、電子機器、医療包装、小型消費財での小さな部品のピックアンドプレースに最適です。垂直多関節やSCARAのような標準ロボットトポロジーは、メーカーとアームの力学によって明確に定義されたワークエンベロープを持ちます。もし型破りな動きや、非常に高い、または非常に長い動きが必要ならどうでしょうか？その場合、直交ロボットを提供できます。直交ロボットは、ガントリーロボットと呼ばれることもあり、非常に一般的でシンプルなロボットトポロジーです。ガントリークレーンは、自動化された直交ロボットよりも何世紀も前から存在します。しかし、フォームファクターは非常に似ています。違いは、ガントリーロボットに採用されている自動化により、動きを事前にプログラムでき、場合によっては機械視覚によって支援されることです。

直交ロボットとは？

3Dプリンターは、デスクトップモデルであれコンクリートを使用して家を印刷する大型モデルであれ、直交またはリニアロボットトポロジーを利用しています。もう一つの一般的な例は、電子回路基板製造で使用されるピックアンドプレースマシンで、しばしば「チップシューター」と呼ばれます。小型フォームファクターの直交ロボットは、テーブルやコンベアシステム上に構築されることが多く、通常3軸の動きを持ちます。上下、前後、左右に移動できます。すべてのロボットと同様に、直交ロボットには割り当てられたタスクを実行するエンドエフェクターがあります。半導体や光学産業で最も精密なタスクを実行する直交ロボットは、30cm未満のリーチ/スパンで1ミクロン未満の繰り返し精度を持ちます。

直交ロボットのエンドエフェクターには以下が含まれます：

• バキュームグリッパー
• メカニカルグリッパー
• プリンターヘッド
• ルーターヘッド
• ウォータージェット
• 切断レーザー
• 混合または攪拌ツール
• 機械視覚

どの業界が直交ロボットを使用しているか？

幅広い用途があるため、直交ロボットは多くの業界で見られます。以下の業界のメーカーが一般的にこの技術を活用しています：

• 航空宇宙 ― 機械加工と仕上げ
• 農業 ― 垂直農業
• 包装 ― ケース包装 & パレタイズ
• マシンテンディング（CNCまたはプラスチック）
• 電子機器、光学、半導体
• 医療機器組立と医薬品ディスペンシング
• マルチメディア、舞台装置、広告
• 食品・飲料ハンドリング

これらはほんの一例です。直交技術は長い間存在しており、これらのロボットには多くの試され実証済みのアプリケーションがあります。また、理解と再プログラミングがオペレーターにとって簡単です。これにより、自動化に慣れていない人にとってもユーザーフレンドリーです。これらのメーカーは、直交ロボットが優れるタイプのアプリケーションを持っていることが多いです。

直交ロボットの典型的なアプリケーション

直交ロボットは多くのアプリケーションで正しいソリューションですが、他のアプリケーションではリニアロボットは不適切です。直交ロボットの主要な制限は、可動域が限られること、特にウェスト軸またはジョイント1（J1）とリストアクションまたはJ5、垂直多関節ロボットの回転J6です。6軸ロボットはあらゆる種類の位置に曲がって回転できます。材料を角度でハンドリングまたは回転させる必要がある場合、ピックまたはプレース、溶接、塗装、ディスペンシングのいずれであれ、垂直多関節アームの方が適しています。直交ロボットは、エンドエフェクターのロータリーアクチュエーターを除いて回転運動がなく、動きがはるかに剛直です。これは制限に見えるかもしれませんが、実際にはそうでもあります。しかし、平面的な方法で設計されたアプリケーション、たとえばプラットフォームやコンベア上での製品の配置、ソート、スタッキングでは利点にもなります。このリニアロボットの平面的な性質には、特定のアプリケーションで他のロボットタイプよりも優れた性能を発揮できる利点があります。いくつか例を挙げます：

• CNCマシンテンディング
• 3Dプリント
• 金属プラズマ/レーザー切断
• ねじ締め
• ディスペンシング
• 木材ハンドリングとルーティング
• PCB組立とテスト
• ピックアンドプレースまたはソーティング
• 物流 ― 倉庫用AS/RS
• 垂直農業
• 検査

直交ロボットがこれらのアプリケーションで優れる理由はいくつかあります。第一に、これらのアプリケーションは一般的に1つの平面または次元で実行されます。たとえば、レーザー直交ロボットに金属板から形状を切り出すタスクがある場合、金属板は切断面に平らに置かれます。ロボットはピースから形状を切り出すための指示された動きを実行します。この動きには、ロボットが特殊な角度でねじれたり、ピースの側面に回転したりする必要はありません。すべて上下、前後、左右の動きです。一部の直交ロボットにはエンドエフェクターに追加のロータリー軸があります。大幅な柔軟性と可動域が必要な場合、別のロボットタイプが最適かもしれません。

設計の柔軟性

直交ロボットは、利用可能な最もスケーラブルなロボットプラットフォームです。この拡張性は、物理的なサイズと究極の強度の両方にあります。直交ロボットは手のひらサイズから倉庫規模まで可能です。非常に小さな直交ロボットは「マルチアックステージ」と呼ばれ、電子機器でのミクロン精度のフォトリソグラフィ、ディスペンシング、配置、レーザー切断に使用されます。また、現在では50メートル（164フィート）以上の長さの大型直交ロボットもあります。一般的な「大型直交」アプリケーションは、ロボットトランスファーユニット、または一般的に知られる単一「第7軸」です。垂直多関節ロボットをXYまたはXZ直交ロボットに搭載して、溶接部の研削や船舶の仕上げなど、広いエリアをカバーすることもできます。金属補強ベルトアクチュエーターにより、Macron Dynamicsはこれらのシステムを信じられないほど長くし、最大2200ポンド（1000kg）のペイロードに適しています。これらのメカニズムに加え、大型減速機と、スリムなロボットボディケーシングに収める必要のないモーターにより、直交ロボットは最大かつ最重量のタスクを容易に処理できます。

リーチ（長さ）の拡張性

Futura Automationのお客様は、カスタマイズされた直交ロボットの柔軟性と拡張性の恩恵を受けています。建物の構造スパンと同じ長さの直交ロボットを構築することが可能です。Futuraのパートナー、Macron Dynamicsは水平スパン用のガラス繊維パルストルーションビーム補強を提供します。より長いスパンと重い荷重には、リニアアクチュエーターを鋼製Iビームで補強することも可能です。200フィート（60m）の水平XまたはY軸、60フィート（20m）の高さのZ軸が可能です。直交ロボットには、Z軸または垂直軸の端での回転用のシータ軸ドライブやリストアクションを組み込むこともできます。

幅広いペイロード範囲

鋼補強ベルトを使用し、ガラス繊維パルストルーションビームまたは鋼製Iビームで補強されたガントリーは、最強（そして非常に高価な）垂直多関節ロボットアームに匹敵する数千ポンドの荷重を処理できます。サーボギアモーターに統合メカニカルブレーキを適用して、電源オフ時でも垂直軸で荷重を保持することが可能です。Macron Dynamicsは、CLAWSシステムを安全装置として提供し、制御不能な垂直荷重から保護します。

直交ロボットのコスト

直交ロボットが高度にスケーラブルであることはわかりました。これはコストも高度にスケーラブルであることを意味します。2023年におけるサーボドライブと制御を含む完全な直交ロボットシステムのコストは、小型システムで20,000ドルから、大型システムで200,000ドル以上まで変動します。しかし、他の条件が同等であれば、同じプロジェクト、同じリーチとペイロードで、6軸ロボットなどの他の同等の産業用ロボットフォームファクターを使用するよりも、直交ロボットを使用する方が安価です。この主な理由は、鋳造メカニカルアーム、カスタムサーボ、サイクロイドギアリング、垂直多関節アームに必要なカスタムベアリングではなく、標準化された押出材と既製のサーボを使用するためです。直交ロボットプロジェクトの主要なコスト変数は：

• プロジェクトのサイズと速度（アクチュエーター長とペイロード容量）と補強スーパーストラクチャーの要否
• アプリケーションの複雑さ（どのタイプの専用グリッパーや追加シータ軸が必要か）
• 運用に必要な制御、通信、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）のタイプ
• 必要な精度レベル、1つ以上の軸でゼロバックラッシュスクリュードライブハイブリッドが必要な場合も
• 安全フェンスやセンサーによる保護が必要かどうか

まとめ：直交ロボットが垂直多関節、デルタ、SCARAロボットに勝つのはいつか？

直交ロボットとそのアプリケーションについて少し理解できました。では、いつあなたとあなたのプロジェクトに適しているのでしょうか？お手伝いできます。簡単に言うと、主な考慮事項は以下の通りです：

• コスト削減またはスループット向上を求めているか？
• ペイロードまたはリーチが垂直多関節またはSCARAアームにとって大きな課題か？
• アプリケーションに要求される精度/正確さは何か？
• 負荷に対する速度プロファイル、つまり慣性とドライブトルク要件は何か？

直交ロボットはクリーンな状態で設計できるため、モーターとギアボックス選定時に慣性を正しくマッチングすることが重要です。Futura Automationは、クライアントプロジェクトの設計ガイダンスを提供する際に慣性マッチングを支援します。業界団体「A3」による慣性ミスマッチの重要性を徹底的に説明したドキュメントはこちら：慣性マッチングのビデオガイドも提供： https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Futura Automationがプロジェクトをサポートする方法

お問い合わせ： sales@futura-automation.com