Robot kartezjański w automatyzacji produkcji i intralogistyce

Robot kartezjański porusza się liniowo wzdłuż trzech osi X, Y i Z, co daje mu dużą precyzję i powtarzalność ruchu w każdym cyklu pracy. Taka konstrukcja sprawia, że dobrze radzi sobie z zadaniami pick and place, montażem elementów oraz paletyzacją ładunków. Coraz częściej pracuje też z robotami mobilnymi, tworząc spójny system transportu wewnętrznego.

Na czym opiera się działanie robota kartezjańskiego?

Robot kartezjański to maszyna, która przemieszcza chwytak lub narzędzie wzdłuż trzech prostopadłych osi: X, Y i Z. Taki układ ruchu nazywa się przestrzenią kartezjańską, stąd nazwa całej rodziny robotów. Ruch odbywa się liniowo, bez obrotów w stawach, co odróżnia robota kartezjańskiego od konstrukcji przegubowych. Dzięki prostej geometrii ruchu programowanie robota kartezjańskiego jest łatwiejsze niż w przypadku ramion sześcioosiowych.

Każda oś ma swój niezależny napęd, najczęściej silnik krokowy lub serwomotor połączony z prowadnicą liniową. Taki układ mechaniczny daje wysoką powtarzalność pozycjonowania, nawet przy dużej liczbie cykli pracy dziennie.

• Konstrukcja robota kartezjańskiego składa się z prowadnic liniowych, napędów oraz układu sterowania. Prowadnice mogą mieć formę szyn, prętów lub belek, po których przesuwa się suport z zamontowanym narzędziem. 
• Napęd realizowany jest zwykle za pomocą śruby kulowej, pasa zębatego lub siłownika pneumatycznego, w zależności od wymaganej prędkości i obciążenia. 
• Sterowanie odbywa się za pomocą kontrolera PLC lub odpowiedniego kontrolera ruchu, który koordynuje pracę poszczególnych osi. 
• W wersjach przemysłowych stosuje się dodatkowo enkodery, które na bieżąco informują sterownik o rzeczywistej pozycji suportu. Taka informacja zwrotna pozwala korygować drobne odchylenia i utrzymywać wysoką dokładność powtarzalną.

Zobacz również: Autonomiczne roboty mobilne: czym są i jak działają?

Gdzie na linii produkcyjnej znajduje zastosowanie robot kartezjański?

Robot kartezjański najczęściej pracuje w zadaniach typu pick and place, czyli podnoszeniu detali i odkładaniu ich w innym miejscu. Sprawdza się także w montażu drobnych elementów, gdzie liczy się precyzja pozycjonowania i powtarzalność ruchu. W elektronice robot tego typu umieszcza podzespoły na płytkach PCB, a w przemyśle spożywczym pakuje i układa produkty w kartonach. Coraz częściej firmy wdrażają automatyzację procesów produkcyjnych właśnie od stanowisk z robotem kartezjańskim, bo inwestycja jest stosunkowo niska w porównaniu z robotami przegubowymi. Taki krok bywa pierwszym etapem szerszej robotyzacji procesów produkcji w zakładzie.

Robot kartezjański wykorzystywany jest również w procesach obróbczych, takich jak cięcie laserowe, grawerowanie czy frezowanie. Konstrukcja XY, czasem rozbudowana do XYZ, pozwala prowadzić narzędzie po zaprogramowanej trasie z dużą dokładnością. W dozowaniu klejów i uszczelniaczy robot kartezjański nakłada materiał w precyzyjnie określonych punktach, co ogranicza straty surowca. Znajduje też zastosowanie w zgrzewaniu punktowym oraz jako alternatywa dla klasycznych obrabiarek CNC przy prostszych operacjach. W paletyzacji podnosi cięższe ładunki i układa je w regularnych warstwach na palecie, odciążając pracowników fizycznych.

Robot kartezjański i AMR – jak współpracują w intralogistyce?

Robot kartezjański obsługuje stanowisko, ale sam nie przemieszcza materiałów między halami czy magazynem a linią. Tę funkcję przejmują AMR, czyli autonomiczne roboty mobilne, które samodzielnie poruszają się po zakładzie i dowożą komponenty do stanowisk pracy. Połączenie obu technologii tworzy spójny łańcuch: AMR dostarcza pojemnik z detalami, a robot kartezjański odbiera z niego elementy i układa je w kolejnym etapie procesu. Taki model współpracy jest podstawą wielu wdrożeń automatyzacji i robotyzacji produkcji w zakładach, które chcą ograniczyć ręczny transport wewnętrzny. Integracja tych dwóch systemów wymaga jednak wspólnego harmonogramowania zadań i komunikacji między sterownikami.

Korzyści mogą być jednak wymierne:

• integracja robota kartezjańskiego z flotą AMR skraca czas przezbrojeń i ogranicza przestoje spowodowane czekaniem na materiał; 
• robot stacjonarny może pracować w cyklu ciągłym, bo dostawy realizowane są automatycznie, bez udziału operatora; 
• takie rozwiązanie zwiększa przepustowość całej linii i redukuje liczbę błędów wynikających z ręcznego przenoszenia detali. 

Wdrożenie tego typu systemu bywa elementem szerszej strategii automatyzacji linii produkcyjnych, obejmującej także systemy wizyjne i czujniki bezpieczeństwa. Firmy realizujące takie projekty często korzystają ze wsparcia doświadczonych integratorów, którzy dobierają komponenty pod konkretny proces i budżet zakładu. Między innymi tym zajmuje się ELPLC.

Jaka jest różnica pomiędzy robotami kartezjańskimi i SCARA?

Podstawowa różnica sprowadza się do sposobu poruszania. W układach kartezjańskich ruch odbywa się wyłącznie liniowo wzdłuż osi X, Y i Z, podczas gdy robot SCARA wykorzystuje ramię przegubowe pracujące głównie w płaszczyźnie poziomej. SCARA, czyli Selective Compliance Assembly Robot Arm, wykonuje ruchy szybciej i charakteryzuje się okrągłą przestrzenią roboczą, w przeciwieństwie do prostokątnego pola pracy konstrukcji kartezjańskich. Z kolei konstrukcje kartezjańskie oferują zwykle większy udźwig i lepszą powtarzalność w zadaniach wymagających operowania ciężkimi elementami.

Scara sprawdza się tam, gdzie liczy się tempo pracy przy lekkich detalach, na przykład w montażu elektroniki. Wybór między tymi dwoma typami robotów zależy więc od masy przenoszonych elementów, wymaganej prędkości oraz kształtu przestrzeni roboczej dostępnej na stanowisku.

Kiedy wybrać robota kartezjańskiego, a kiedy SCARA?

Wdrożenie rozwiązania kartezjańskiego warto rozważyć przy zadaniach obejmujących duże gabaryty, cięższe ładunki lub potrzebę pracy w prostokątnej, rozciągniętej przestrzeni, na przykład nad długim przenośnikiem. SCARA lepiej wypada w gęsto upakowanych stanowiskach montażowych, gdzie liczy się szybkość cyklu i praca na ograniczonej powierzchni. 

Pod względem kosztów zakupu konstrukcja kartezjańska jest zwykle tańsza, co czyni ją dobrym punktem startowym dla firm planujących pierwsze etapy automatyzacji procesów produkcji. Niektóre zakłady stosują oba typy równolegle, przypisując każdemu inną funkcję w łańcuchu produkcyjnym. 

Jakie korzyści daje wdrożenie robota kartezjańskiego w zakładzie produkcyjnym?

Wdrożenie robota kartezjańskiego zmniejsza liczbę czynności wykonywanych ręcznie na stanowisku, co ogranicza ryzyko błędów i urazów pracowników. Praca w cyklu ciągłym, bez przerw na odpoczynek, przekłada się na wyższą i bardziej stabilną wydajność linii. Precyzja pozycjonowania zmniejsza liczbę wadliwych detali, co ma znaczenie zwłaszcza w branżach z wysokimi wymaganiami jakościowymi, jak elektronika czy motoryzacja. 

Wdrożenie takiego robota jest też stosunkowo szybkie, bo konstrukcja mechaniczna jest prostsza niż w robotach przegubowych, a programowanie trajektorii nie wymaga zaawansowanej wiedzy z robotyki. To sprawia, że robot kartezjański często pojawia się jako jeden z pierwszych elementów w planie automatyzacji procesów produkcyjnych w mniejszych i średnich zakładach.

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Jakie normy bezpieczeństwa obowiązują przy pracy z robotem kartezjańskim?

Stanowiska z robotem kartezjańskim projektuje się zgodnie z normą PN-EN ISO 10218-1 dotyczącą samego robota oraz PN-EN ISO 10218-2, która opisuje wymagania dla całego systemu robotowego i jego integracji. Oprócz tego przy ocenie ryzyka stosuje się PN-EN ISO 12100 oraz PN-EN ISO 13849-1 w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego układów sterowania. Te normy określają, jakie zabezpieczenia mechaniczne i elektryczne trzeba wdrożyć, zanim stanowisko trafi do eksploatacji.

Czy na wdrożenie robota kartezjańskiego można otrzymać dofinansowanie?

Przedsiębiorstwa z sektora MŚP mogą ubiegać się o wsparcie w programie PARP „Automatyzacja i robotyzacja w MŚP”, finansowanym z Funduszy Europejskich dla Polski Wschodniej. Dofinansowanie sięga nawet 3 milionów złotych na firmę, a poziom wsparcia może wynieść do 85 procent kosztów kwalifikowanych. Program obejmuje audyt technologiczny, zakup maszyn i robotów oraz wsparcie przy wdrożeniu i szkoleniach dla pracowników.

Zaznaczamy, że obowiązuje ograniczenie terytorialne do województw: lubelskiego, podkarpackiego, podlaskiego, warmińsko-mazurskiego. O dofinansowanie mogą starać się też przedsiębiorcy MŚP z części województwa mazowieckiego – nie dotyczy m.in. Warszawy.

Czy robot kartezjański może mieć więcej niż trzy osie ruchu?

Podstawowa konstrukcja opiera się na trzech osiach liniowych X, Y i Z, ale niektóre modele rozbudowuje się o czwartą oś obrotową montowaną na końcu ramienia. Taka modyfikacja pozwala obracać chwytak lub narzędzie wokół osi pionowej, co rozszerza możliwości robota w zadaniach wymagających zmiany orientacji detalu. Mimo dodatkowej osi robot pozostaje w rodzinie konstrukcji kartezjańskich, bo główny ruch nadal odbywa się liniowo.

Czy robot kartezjański nadaje się do pracy w chłodniach lub myjniach przemysłowych?

Producenci oferują wersje robotów kartezjańskich w wykonaniu ze stali nierdzewnej oraz z odpowiednim stopniem ochrony IP, przystosowane do wilgotnych i chłodnych pomieszczeń. Takie konstrukcje spotyka się w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, gdzie wymagane jest częste mycie stanowiska pod wysokim ciśnieniem. Dobór wersji zależy od warunków panujących na hali oraz wymagań sanitarnych obowiązujących w danej branży produkcji.