デカルト (ガントリー) ロボットが多関節アームよりも優れている理由:4 つの主な利点

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) は、幅広いロボット、自動化、およびモーション制御ソリューションを提供します。 Futura Automation の今週のニュースレターでは、直交ロボット、特に Macron Dynamics, Inc. が提供するロボットの利点について、他の主要な産業用ロボットトポロジーである #Articulated、Delta、SCARA と比較して説明しています。この記事では、デカルト座標の 4 つの主な利点について説明します。

デザインの柔軟性
到達距離が大幅に長くなる（移動距離）
ペイロードの増加
コスト削減

自動車の溶接ラインやケースの梱包やパレタイジングに使用される 6 軸 (多関節) ロボットアームは、メディアで頻繁に取り上げられているので、ほとんどの人が知っています。 #デルタロボットは、主に食品包装における 2 つのコンベアベルト間の大量のピックアンドプレースで人気があります。 #SCARA または 4 軸アームも産業用ロボットの一般的なフォームファクターです。スカラは、エレクトロニクス、医療用包装、小型消費者製品の小さな部品のピッキングと配置を得意としています。多関節型やスカラなどの標準的なロボットトポロジには、メーカーやアームの機構によって規定された明確に定義された作業範囲があります。異常な動作が必要な場合、または非常に高いまたは非常に長い動作が必要な場合はどうすればよいでしょうか?そのために、デカルトロボットを提供できます。デカルトはガントリーロボットとも呼ばれ、非常に一般的で単純なロボットトポロジです。もちろん、ガントリークレーンは自動デカルトロボットより何世紀も前から存在しています。しかし、フォームファクタは非常によく似ています。違いは、ガントリーロボットが採用する自動化であり、動作を事前にプログラムでき、場合によってはマシンビジョンによって支援されることもあります。

デカルトロボットとは何ですか?

3D プリンタは、デスクトップモデルであっても、コンクリートを使用して家を印刷できる十分な大きさのものであっても、デカルトロボットトポロジまたはリニアロボットトポロジを利用します。もう 1 つの一般的な例は、電子回路基板の製造に使用されるピックアンドプレースマシンで、「チップシューター」と呼ばれることがよくあります。より小型のフォームファクターの直交ロボットは、多くの場合、テーブルまたはコンベアシステム上に構築されます。通常、それらには 3 つの動作軸があります。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、デカルト座標系にも、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。通常、半導体や光学産業で最も正確なタスクを実行するデカルト座標の再現性は、30 センチメートル未満の範囲またはスパンで 1 ミクロン未満です。

デカルトロボットのエンドエフェクタには次のものが含まれます。

真空グリッパー
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
レーザー切断
混合または撹拌ツール
マシンビジョン

デカルトロボットを使用しているのはどの業界ですか?

デカルトロボットには幅広い用途があるため、多くの業界で使用されています。以下の業界のメーカーは一般にこのテクノロジーを活用しています。

航空宇宙 – 機械加工と仕上げ
農業 – 垂直農法
梱包 – ケース梱包とパレット積み
機械管理 (CNC またはプラスチック)
エレクトロニクス、光学、半導体
医療機器の組み立てと医薬品の調剤
マルチメディア、舞台装置、広告
食品および飲料の取り扱い

これらは多くの例のうちのほんの一部です。デカルト技術は古くから存在しています。このため、これらのロボットには実証済みの実際のアプリケーションが数多くあります。また、オペレーターにとっても理解しやすく、再プログラムするのも簡単です。これにより、自動化を初めて使用する人にとっても使いやすくなります。これらのメーカーは、直交ロボットが優れた能力を発揮できるタイプのアプリケーションを備えていることがよくあります。

直交ロボットの一般的なアプリケーション

デカルトロボットは多くのアプリケーションでは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な選択となります。デカルト座標系の主な制限は、可動範囲の制限であり、特に多関節ロボットの腰軸またはジョイント 1 (J1) と手首の動作 J5 および回転 J6 が制限されます。 6 軸ロボットは、あらゆる種類の姿勢に曲げたり回転したりできます。ピックまたはプレース、溶接、塗装または塗布など、材料を斜めに扱ったり回転させたりする必要がある場合は、多関節アームの方が合理的です。デカルトロボットは、エンドエフェクタに回転アクチュエータが搭載されている可能性がある場合を除き、回転運動を持たないため、動作がより厳密になります。これは制限のように思えるかもしれませんが、実際はそうなのです。しかし、これは、プラットフォームやコンベア上に製品を配置、並べ替え、または積み重ねるなど、平面的に設計されたアプリケーションでも利点があります。リニアロボットのこの平面的な品質には、特定の用途において他のタイプのロボットよりも優れたパフォーマンスを発揮できるという利点があります。以下にいくつかの例を示します。

CNC マシンのメンテナンス
3D プリント
金属プラズマ/レーザー切断
ねじ回し
調剤
木材の取り扱いとルート
PCB のアセンブリとテスト
ピックアンドプレイスまたは並べ替え
物流 – 倉庫保管用の自動倉庫
垂直農業
検査

デカルトロボットがこれらのアプリケーションで優れている理由はいくつかあります。まず、これらのアプリケーションは通常、1 つの平面または次元で実行されます。たとえば、レーザーデカルトロボットは、金属シートから形状を切り出すという役割を担っています。金属シートは切断面上に平らに置かれます。ロボットは命令された動作を実行して、ピースから形状を切り出します。この動作では、ロボットを特別な角度でひねったり、ピースの側面に回転したりする必要はありません。それはすべて上下、前後、左右の動きです。一部のデカルトロボットには、エンドエフェクターに追加の回転軸があります。大幅な柔軟性と可動範囲が必要な場合は、別の種類のロボットが最適である可能性があります。

設計の柔軟性

デカルトロボットは、利用可能なロボットプラットフォームの中で最も拡張性が高いです。この拡張性は、潜在的な物理的サイズと最終的な強度の両方にあります。デカルトロボットは、手のひらほどの大きさのものから、倉庫ほどの大きさのものまであります。非常に小さなデカルト座標は「多軸ステージ」と呼ばれることが多く、電子機器におけるミクロン精度のフォトリソグラフィー、塗布、配置、またはレーザー切断に使用されます。現在では、長さ 50 メートル (164 フィート) 以上の大型のデカルトロボットもあります。一般的な「大きなデカルト」アプリケーションは、ロボット搬送ユニット、または一般的に知られている単一の「第 7 軸」です。多関節ロボットを XY または XZ 直交座標系に取り付けて、溶接部の研削や船舶の仕上げなど、広い領域をカバーすることもできます。金属で強化されたベルトアクチュエータにより、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たものにすることができます。これらの機構に加えて、スリムなロボット本体ケース内に収まる必要のない大きな比のギアボックスとモーターにより、デカルトロボットは最大かつ最も重いタスクを簡単に処理できるようになります。

到達範囲 (長さ) のスケーラビリティ

Futura Automation の顧客は、カスタマイズされたデカルトロボットの柔軟性と拡張性のメリットを享受できます。建物の構造スパンと同じ長さのデカルトを構築することが可能です。 Futura のパートナーである Macron Dynamics は、水平スパンにグラスファイバー引抜成形ビーム補強材を提供します。より長いスパンとより重い負荷のために、鋼製 I ビームでリニアアクチュエータを補強することも可能です。水平 200 フィート (60 メートル) の X 軸または Y 軸は、高さ 60 フィート (20 メートル) の Z 軸と同様に可能です。デカルト座標には、Z 軸または垂直軸の端で回転するシータ軸ドライブを組み込んだり、手首のアクションを提供したりすることもできます。

幅広いペイロード

スチール強化ベルトを使用し、グラスファイバー引抜成形ビームまたはスチール I ビームで強化されたガントリーは、最も強力な (そして非常に高価な) 多関節ロボットアームに匹敵する数千ポンドの荷重に耐えることができます。統合された機械ブレーキをサーボギアモーターに適用して、電源が遮断されていても垂直軸の負荷を保持することが可能です。 Macron Dynamics は、制御されていない垂直荷重から保護する安全装置として CLAWS システムも提供しています。

直交ロボットのコスト

デカルトロボットは拡張性が高いことがわかりました。これは、コストの拡張性も高いことを意味します。 2023 年には、サーボドライブや制御装置を含む完全なデカルトロボットシステムのコストは、小規模システムの 20,000 ドルから、非常に大規模なシステムの場合は 200,000 ドル以上まで変動すると予想されます。しかし、他のすべてが等しい場合、プロジェクトにデカルトロボットを使用した方が、同じプロジェクトで同じリーチとペイロードの 6 軸など、別の同等の産業用ロボットのフォームファクターを使用するよりも、リーチとペイロードのコストが安くなります。この主な理由は、多関節アームに必要なカスタムサーボ、サイクロイドギア、カスタムベアリングを備えた鋳造機械アームではなく、標準化された押し出し成形品と既製のサーボを使用していることです。デカルトロボットプロジェクトの主なコスト変数は次のとおりです。

プロジェクトの規模と速度（アクチュエータの長さと積載量）、および上部構造の補強が必要かどうか
アプリケーションの複雑さ（どのようなタイプの専用グリッパーまたは追加のシータ軸が必要か）
操作に必要な制御、通信、ヒューマンマシン（HMI）の種類
要求される精度のレベル。場合によっては、1 つ以上の軸に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になる場合もあります
保護を提供するために安全柵やセンサーが必要かどうか

概要:デカルトロボットが多関節ロボット、デルタロボット、またはスカラロボットに勝つのはいつですか?

これで、デカルト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。それでは、いつがあなたやあなたのプロジェクトにとって適切なのでしょうか?私たちはこれらの質問に答えるお手伝いをいたします。簡単に言うと、主な考慮事項は次のとおりです。

コスト削減またはスループットの向上をお探しですか?
可搬重量や到達距離は、多関節アームまたはスカラアームにとって大きな課題ですか?
アプリケーションにはどの程度の精度が必要ですか?
負荷に対する速度プロファイルは何ですか。つまり、慣性と駆動トルクの要件は何ですか?

デカルトロボットの設計には白紙の状態であるため、モーターとギアボックスを選択する際には慣性を正しく一致させることが重要です。 Futura Automation は、クライアントプロジェクトに設計ガイダンスを提供する際の慣性マッチングに役立ちます。こちらは業界団体「A3」の文書で、インピーダンスマッチングの重要性が徹底的に説明されています。慣性マッチングのビデオガイドも提供されています:https://www.automate.org/industry-insights/ Understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch