ארז אפק, פסטו ישראל בע”מ
למה כדאי להשתמש במערכות ניטול (handling) קרטזיות?
כשמדובר בפתרונות הרכבה וניטול קונבנציונליים המגמה עוברת מרובוטים למערכות חסכוניות ויעילות. ישנם יישומים רבים, בהם מערכת הניטול מספקת פתרון חסכוני בעלות, במקום ומהיר יותר בקצב העבודה תוך ויתור על פונקציונאליות ודרגות חופש שלא נחוצות לאפליקציה.
יישומים הדורשים תנועות ליניאריות וסיבוביות עם 2-4 דרגות חופש נותנים פתרון יעיל וקל לביצוע באמצעות שימוש במערכת ניטול.
מאמר זה מכיל:
סקירה של מערכות ניטול קרטזיות שונות
הבדלים פונקציונאליים בין המערכות
השונות
גורמי מפתח ועזרים בבחירת מערכת
ניטול
סקירה של מערכות ניטול קרטזיות
תקני ה-DIN מסווגים מערכות ניטול קרטזיות כרובוטים תעשייתיים:
“רובוט תעשייתי היינו מניפולאטור רב-תכליתי בתצורה ניידת או נייחת, מבוקר אוטומטי, הניתן לתכנות מחדש, בעל שלושה או יותר צירים הניתנים לתכנות לשימוש באפליקציות באוטומציה תעשייתית” (DIN EN ISO 8373).
מספר הסגמנטים במערכת כזו משתנה עם הפונקציונאליות, הגמישות והתגובה הדינאמית של המערכת.
בין מערכות ניטול קרטזיות ובין רובוטים קונבנציונליים בעלי 4-6 צירים (זרוע מפרקית) קיימת חפיפה מבחינת גמישות ותגובה דינאמית (ראה איור 1) אך הם שונים כשמדובר במערכת המכאנית שלהם.
בכפוף לאפליקציה, מערכות ניטול קרטזיות מבוקרות באמצעות PLC פשוט (יתכן שכבר קיים אצל המשתמש) – עבור תנועות מנקודה לנקודה, או ע”י מערכת בקרה מורכבת עם פונקציונאליות רובוטית – עבור תנועות משולבות (אינטרפולציה) למשל. רובוט בעל 4-6 צירים תמיד זקוק לבקר רובוטי מורכב. (ראה איור 2).
בנוסף מערכת ניטול קרטזית זקוקה למרחב תנועה קטן יותר, ומותאמת בקלות לאפליקציות ייעודיות. ניתן להתאים את מרחב התנועה בקלות, ע”י שינוי אורכי הצירים.
המרכיבים התנועתיים מוגדרים באופן המתאים לצרכי האפליקציה – בניגוד לרובוט קונבנציונלי, לגביו הפריפריה של האפליקציה צריכה להיות מותאמת למערכת המכאנית והתנועתית של הרובוט.
המערכת המכאנית של מערכת ניטול קרטזית מהווה אפוא חלק של הפתרון הכולל וחייבת להיות מובנית לתוך המערכת הכוללת.
מותאמת, מודולארית וחסכונית
בניגוד לפתרונות סטנדרטיים הכוללים רובוט בעל 4-6 צירים מן הקטלוג, ניתן להתאים מערכות ניטול קרטזיות בצורה מודולארית בהתאם לצורכי האפליקציה.
במקרה של רובוט קונבנציונלי יש צורך להתאים חלק מן האפליקציה לצרכים וליכולות של הרובוט.
גם המגמה לקראת סטנדרטיזציה והשימוש במרכיבים מיצור המוני הופכים את הפתרון הקרטזי לחסכוני יותר בהשוואה לרובוטים קונבנציונליים.
חשמלי, פניאומאטי ושילובים ביניהם
במערכות ניטול קרטזיות ניתן לשלב טכנולוגיות שונות. לכל ציר בוחרים את המפעיל המתאים – פניאומאטי, חשמלי או סרוו-פניאומטי – בהתאם לצורכי האפליקציה – על מנת להשיג תנועה אופטימאלית מבחינת יעילות, תגובה דינאמית ופונקציונאליות.
למערכות ניטול קרטזיות, כמערכות עם קינמאטיקה ליניארית, יש צירים עיקריים לתנועות קו ישר במישור X, Y, Z וצירי עזר לתנועות סיבוביות. המערכת פועלת בו-זמנית כמוביל, תומך ומפעיל והיא צריכה להיות מובנית לתוך האפליקציה. מערכות אלה ניתנות להתקנה בכל פוזיציה במרחב. דבר המאפשר למערכת המכאנית להיות מותאמת באופן מושלם לתנאים של האפליקציה.
מערכות ניטול דו-מימדיות (2D motion)
מערכות ניטול קרטזיות אלה מחולקות לתצורות הבאות (ראה איור 3):
1. תצורת cantilever
תצורה זו מורכבת מציר אופקי Y הבנוי כבוכנה שבחלקו הקדמי הנע מורכב ציר אנכי Z.
מערכת זו מותקנת בצד שטח העבודה ומתאימה למקומות בהם החלל מעל משטח העבודה צריך להיות פנוי.
2. תצורת גשר ליניארי – linear gantry
תצורה זו מורכבת מציר אופקי Y שעליו נע הציר האנכי Z. מערכת זו מותקנת מעל שטח העבודה.
3. תצורת גשר מישורי – planar surface gantry
תצורה זו מורכבת משני צירים מקבילים X המחוברים באמצעות ציר Y ומשמשת בעיקר לאפליקציות של שולחן XY. בד”כ מערכת זו מותקנת מתחת לשטח העבודה.
בנוסף לקונפיגורציה רגילה עם צירים אינדיווידואליים, בהם מנוע אחד או יותר נעים על הציר הבסיסי, גשר ליניארי וגשר מישורי זמינים גם כמערכת עם הנעה משולבת של שני צירים בו זמנית עם רצועה משותפת כאשר שני המנועים סטטיים. תכונה זו מאפשרת משקל עצמי נמוך, דינאמיות ותפוקה גבוהה. (picks/min).
מערכות ניטול בעלות שלושה צירים (3D motion)
מערכות קרטזיות אלה מחולקות לתצורות הבאות (ראה איור 3):
1. תצורת cantilever
תצורה זו הינה מערכת דו ממדית
(Y+ Z) המורכבת על שני צירי X מקבילים.
התקנה בצד שטח העבודה.
2. תצורת גשר מישורי תלת מימדי
תצורה זו הינה מערכת גשר מישורי דו ממדית ומורכב עליה ציר Z אנכי. גשר מישורי 3D מסוגל לכסות מרחב עבודה משמעותי גדול יותר מרובוטים בתצורת עכביש או רובוט סקארה שהם בעלי מעטפת עבודה מעוגלת.
תכנות
מורכבות התוכנה תלויה באפליקציה. בשימוש כמערכת pick&place ניתן להסתפק בבקרה פשוטה באמצעות PLC, וזמן התכנות הנדרש הינו בהתאם.
כשהדרישה כוללת תנועות מורכבות (אינטרפולציה), לאפליקציות כגון הזרקת דבק לתוך מסגרת קיימת עם קווים מעוגלים, יש צורך בבקר רובוטי.
סביבת הבקרה עבור מערכות ניטול קרטזיות מציעה מגוון רחב של חלופות אפשריות בהשוואה לרובוטים קונבנציונליים.
בזמן שרובוטים קונבנציונליים תמיד דורשים את מערכת ההפעלה הספציפית שלהם, ניתן להשתמש עבור מערכות ניטול קרטזיות בכל PLC שכולל את מגוון הפונקציות המתאימות ביותר לצורכי האפליקציה ומורכבותה.
המשמעות היא כי ניתן להיצמד להגדרות של הלקוח וניתן להטמיע פלטפורמת בקרה הכוללת שפת תכנות ומבנה תוכנה אחידים.
כדי להשתמש ברובוטים בעלי 4-6 צירים למשימות מכאניות פשוטות יש לעתים להשקיע שעות תוכנה רבות. למשל, לתנועת קו ישר יש צורך להזיז את כל ששת הצירים. מערכות ניטול קרטזיות מציעות אלטרנטיבה אטרקטיבית ופשוטה מבחינה זו.
חסכון באנרגיה
כאשר האפליקציה דורשת זמני המתנה ארוכים בפוזיציות מסוימות, ברובוט קונבנציונלי יש צריכת אנרגיה מתמדת כנגד כוחות הכבידה, כדי לשמור על מצב נייח.
במקרה של מערכות ניטול קרטזיות, בדרך כלל רק ציר ה-Z נדרש להפעיל כוח מתמיד. כוח זה נדרש על מנת להחזיק את העומס האפקטיבי במיקום הרצוי כנגד הכוח הגרביטציוני הפועל עליו. ניתן לעשות זאת בצורה יעילה על ידי שימוש במפעילים פניאומאטיים, כיוון שאלה לא צורכים אנרגיה במצב סטטי. יתרון נוסף לצירי Z פניאומאטיים הינו המשקל העצמי הנמוך, ומשמעותו הוא שניתן להשתמש במידות קטנות יותר עבור המרכיבים המכאניים של צירי X ו-Y לרבות מנוע החשמלי שלהם. העומס האפקטיבי המוקטן מביא להקטנה בצריכת האנרגיה.
החוזק הטיפוסי של צירים חשמליים בולט במיוחד במקרים של מהלכים ארוכים וזמני מחזור קצרים. לכן הם לעתים קרובות בחירה טובה ויעילה עבור הצירים X ו-Y.
דוגמאות למערכות ניטול קרטזיות
מערכת תצורת 2D cantilever
מערכת המשלבת בין הנע חשמלי
לפניאומאטי
ציר Y – חשמלי, להשגת דיוק גבוה
במיקומים משתנים
ציר Z – פניאומאטי, קל משקל
קצב עבודה גבוה
קשיחות מכאנית גבוהה
גשר ליניארי – 2D linear gantry
עם קצב גבוה של יותר
מ-90picks/min הגשר הליניארי מתאים במיוחד לאפליקציות pick&place מהירות, לדוגמא: אריזה ומשטוח של מוצרים שונים.
למרות ששני המנועים נייחים, ניתן
ליצור תנועה מתואמת (בשני הצירים Z-Y) ע”י שימוש בבקר תנועה עם יכולת אינטרפולציה.
עיצוב קומפאקטי ודינאמיות גבוהה
קצב עבודה גבוה וחסכון במקום
גשר מישורי – planar surface gantry
כמו בגשר הליניארי ניתן ליצור תנועה מתואמת למרות ששני המנועים נייחים
גרסה קומפאקטית: EXCM-10/EXCM-30
X = 100-700 mm
Y = 110-360 mm
לשימוש בתעשיית האלקטרוניקה ובמעבדות רפואיות
גרסה גדולה: EXCH-40/EXCH-60
X = 500-2600 mm
Y = 100-1500 mm
לשימוש בתעשיית ה-solar wafers.
מערכת תצורת 3D cantilever
מערכת המשלבת בין הנע חשמלי ולפניאומאטי
צירים X ו-Y – חשמליים להשגת דיוק גבוה במיקומים משתנים
ציר Z – קל משקל, חוסך אנרגיה
מערכת קשיחה עם יכולת העמסה גבוה
בזכות שתי המסילות המורכבות על פרופיל של ציר X
גשר תלת-מימדי – 3D gantry
מערכת בעלת שלושה צירים חשמליים להשגת דיוק גבוה במיקומים משתנים בכל המישורים X, Y, Z.
מידות פיזיות קטנות
מערכת קשיחה לעומסים גבוהים
המסוגלת לבצע תנועות בעלות דינמיות גבוהה
סיכום: מה היתרונות של מערכות ניטול קרטזיות
במקרים רבים השימוש במערכות ניטול קרטזיות יעיל וכלכלי יותר לעומת השימוש ברובוטים קונבנציונליים.
ניתן לתכנן מערכת ניטול קרטזית אידיאלית למגוון רחב של אפליקציות.
המערכות מתוכננות לפי דרישות
האפליקציה מבחינת אורכי הצירים ומיקום המערכת
תגובות המערכת דינאמיות והן מותאמות בדיוק לעומס הנדרש
המבנה המכאני מאפשר תכנות פשוט
ההתאמה האישית האופטימאלית
מאפשרת ניצול אנרגיה גבוה
שימוש אופטימאלי של המקום הקיים
קומפוננטים סטנדרטיים המיוצרים
בייצור המוני מאפשרים מחיר אטרקטיבי לעומת רובוטים קונבנציונליים
הקינמאטיקה של מערכות ניטול קרטזיות מוגדרת לפי האפליקציה והפריפריה שלה, ולא להפך.
ארז אפק הינו מנהל תחום בקרה והנע,
פסטו ישראל בע”מ
