Découvrir le robot cartésien, spécialiste du mouvement linéaire

Qu’est-ce qu’un robot cartésien ?

Un robot cartésien est un système mécatronique dans lequel l’outil (ou effecteur) se déplace de manière linéaire dans un espace tridimensionnel. Pour cela, il utilise un ou plusieurs axes (ou rails) qui vont définir les trois directions principales (X,Y et Z), ainsi que les limites du déplacement.

Le robot cartésien se caractérise par son système de coordonnées (cartésiennes), des déplacements rectilignes et un espace de travail rectangulaire (ou cubique).

La gestion du mouvement dans les imprimantes 3D, les découpeuses laser et de nombreuses machines à commande numérique, fait appel à des systèmes linéaires qui s’apparentent tout à fait à des robots cartésiens. Dans les usines, on peut également voir des robots cartésiens de très grandes dimensions, que l’on appelle alors robots portiques.

Les principaux composants du robot cartésien

Que l’on soit intégrateur ou utilisateur de robot cartésien, il est intéressant de se pencher sur les différents composants de ces systèmes pour mieux comprendre leur fonctionnement.

Mais avant d’aller plus loin, il semble important de préciser que la principale différence de ces robots, par rapports aux bras articulés que l’on voit sur de nombreuses lignes de production, est leur conception sur mesure. Celle-ci permet d’avoir le juste encombrement et apporte de la flexibilité lors de l’intégration.

Les composants mécaniques

Les axes X et Y du robot cartésien sont construits à partir d’un assemblage de différents composants mécaniques : rails, glissières, patins, galets. Un chariot est positionné sur ces rails ; c’est lui qui va se déplacer le long des guides linéaires. Le chariot est directement relié à l’actionneur, qui se déplace le long de l’axe Z.

L’actionneur peut être un vérin ou un troisième guide linéaire ; cela dépend des applications.

Il existe deux grandes formes de robots cartésiens, le robot en L et le robot en H, selon que l’on intègre un ou deux guides linéaires en X.

Les moteurs

Les moteurs vont convertir l’énergie électrique en mouvement mécanique rotatif.

Les moteurs principalement utilisés dans les robots cartésiens aujourd’hui sont des moteurs brushless, qui offrent un asservissement précis et une grande longévité. Les servomoteurs synchrones apportent des performances élevées en matière de dynamique, de précision, de vitesse et de couple. Ils sont parfaits pour la robotisation avec des systèmes cartésiens complexes.

Les systèmes de transmission

Les systèmes de transmission transforment le mouvement rotatif du moteur en mouvement linéaire, et entraînent le déplacement des différents chariots le long des axes. Il existe trois grands types de systèmes de transmission :

• les systèmes à courroie ou à bandes, reliés aux moteurs par des poulies,
• les systèmes à crémaillère, reliés aux moteurs par des pignons,
• les systèmes de vis à billes, dans lesquels les moteurs font tourner des tiges filetées qui vont entraîner des écrous fixés aux chariots.

Les systèmes de contrôle

Les systèmes de contrôle sont l’intelligence du robot cartésien. Ce sont eux qui vont lui dicter ses mouvements et vérifier qu’il les exécute correctement. Un système de contrôle se compose d’un logiciel et d’un contrôleur. Le logiciel permet de programmer des trajectoires et d’interpréter des données issues de capteurs pour vérifier les positions du robot. Le contrôleur convertit les instructions du logiciel en signaux pour le moteur.

Un robot cartésien pour quelle application ?

Il est possible de créer des robots cartésiens de différentes tailles, des plus petits, intégrés dans des machines aux plus grands, pour travailler sur de grands objets ou sur plusieurs postes. Mais quelles actions peuvent-ils réaliser ? À peu près toutes, tant que les déplacements restent rectilignes.

Les avantages du robot cartésien

Les avantages du robot cartésien sont liés à sa conception. Parce qu’il évolue dans un cadre rigide, il apporte beaucoup de précision et de répétabilité. Il doit bien sûr pour cela avoir été correctement dimensionné et conçu avec des composants adaptés.

Dans tous les mouvements de translation pure, il offre des temps de cycle très performants avec une excellente efficacité énergétique.

Ses limites

La principale limite du robot cartésien vient de l’impossibilité de réaliser des mouvements de rotation sur les axes. Il ne peut pas réaliser seul des mouvements complexes qui seraient ceux d’une main humaine, car ces mouvements associent translations (bras) et rotations (poignet). Pour tous ces mouvements, le robot cartésien doit être associé à d’autres cinématiques, ce qui rend son intégration complexe.

Les applications dans lesquelles on le retrouve fréquemment

Le robot cartésien est beaucoup utilisé pour les opérations de manutention et de palettisation, qui s’adaptent bien à son enveloppe carrée et profitent de sa capacité à manipuler des charges lourdes. Sur les lignes de production et d’assemblage, on le retrouve sur des applications de pick and place ou de montage de précision, en électronique par exemple. On peut aussi le trouver dans des applications de préparation de composants en amont de la production, comme dans ce cas de kitting automobile illustré en vidéo.

Dans les machines spéciales, il est couramment utilisé pour de nombreuses opérations. C’est d’ailleurs sans doute là qu’il trouve son meilleur domaine d’expression car le mouvement linéaire y est la règle.

Quelles sont les dernières évolutions des robots cartésiens ?

Les grandes tendances d’évolution des robots cartésiens sont au nombre de trois :

• une simplification du dimensionnement, et le développement de kits fonction « plug and produce » pour réduire de manière significative les temps de conception,
• un paramétrage simplifié et une programmation intuitive pour permettre à des non-automaticiens de travailler sur ces robots,
• la remontée de données dans le logiciel de contrôle pour avoir une vision en temps réel des performances du process et augmenter la productivité.