Robot Cartesian là gì? Cấu tạo, lợi ích và ứng dụng Robot Gantry

Trong thế giới tự động hóa, nếu robot 6 trục khớp nối là những vũ công linh hoạt, robot SCARA là bậc thầy của tốc độ ngang, thì Robot Cartesian chính là những vị thần của sự chính xác tuyệt đối trên các đường thẳng. Chúng là giải pháp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng chịu tải nặng và phạm vi làm việc khổng lồ.

Nội dung bài viết

1 Robot Cartesian là gì?
2 Điểm nổi bật của robot Cartesian
3 Cấu tạo của robot Cartesian
4 Nguyên lý hoạt động của Robot Cartesian
5 Các loại robot Cartesian phổ biến
6 Ưu nhược điểm của Robot Cartesian
7 Các ứng dụng của Robot Cartesian

Robot Cartesian là gì?

Robot Cartesian (hay Robot Gantry) là một loại robot công nghiệp hoạt động dựa trên hệ tọa độ Descartes (di chuyển theo các trục thẳng X, Y, Z) vuông góc với nhau. Hãy tưởng tượng một cần cẩu lớn di chuyển theo ba hướng: tiến/lùi, sang trái/phải và lên/xuống – đó chính là nguyên lý cơ bản của robot Cartesian.

Mỗi trục của robot Cartesian được điều khiển độc lập bằng một động cơ, cho phép điểm cuối của robot di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong một không gian làm việc có hình hộp chữ nhật. Robot Cartesian lý tưởng cho các ứng dụng trong các ngành công nghiệp cần di chuyển vật liệu nặng, cắt gọt chính xác các tấm lớn, hoặc thực hiện các quy trình in và phun trên diện tích rộng.

Điểm nổi bật của robot Cartesian

Robot Cartesian sở hữu những điểm độc đáo, giúp chúng vượt trội trong các ứng dụng chuyên biệt:

– Chỉ di chuyển tịnh tiến dọc theo các trục, không có khớp quay như robot khớp nối (articulated robot).

– Không gian làm việc hình hộp chữ nhật:

+ Cho phép chúng tận dụng tối đa diện tích có sẵn trong nhà máy.

+ Khả năng mở rộng các trục cũng giúp tạo ra không gian làm việc khổng lồ, không giới hạn.

– Khả năng chịu tải trọng lớn:

+ Robot Cartesian có khả năng xử lý vật liệu và công cụ rất nặng, điều mà nhiều loại robot khác khó có thể làm được.

– Độ chính xác và độ lặp lại cao:

+ Robot Cartesian cực kỳ chính xác và có độ lặp lại tuyệt vời theo đường thẳng và trên một mặt phẳng.

+ Đây là điểm mạnh vượt trội cho các tác vụ cần sự nhất quán cao như phun, in, cắt.

– Thiết kế đơn giản và dễ bảo trì:

+ Cấu trúc cơ khí của Robot Cartesian tương đối đơn giản với các chuyển động tuyến tính.

+ Điều này giúp việc thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo trì trở nên dễ dàng hơn.

+ Ít yêu cầu các bộ phận phức tạp và giảm thiểu thời gian ngừng máy.

– Khả năng mở rộng không gian làm việc:

+ Dễ dàng kéo dài các trục X, Y, Z.

+ Cho phép doanh nghiệp tùy chỉnh kích thước robot để phù hợp chính xác với phạm vi hoạt động cần thiết.

– Lập trình dễ dàng:

+ Việc lập trình Robot Cartesian thường đơn giản hơn nhiều so với robot khớp nối.

>>> Xem thêm cánh tay robot tự động:

Cấu tạo của robot Cartesian

Một Robot Cartesian điển hình bao gồm các thành phần sau:

1/ Các trục tuyến tính: Đây là các cánh tay của robot, di chuyển theo đường thẳng.

– Một robot Cartesian cơ bản sẽ có 3 trục chính:

+ Trục X: Di chuyển theo chiều dài của hệ thống.

+ Trục Y: Di chuyển theo chiều rộng (vuông góc với trục X).

+ Trục Z: Di chuyển theo chiều cao (lên và xuống, vuông góc với mặt phẳng X-Y).

2/ Hệ thống dẫn hướng: Được trang bị các thanh ray, con trượt tuyến tính hoặc các bạc đạn tuyến tính chất lượng cao.

3/ Động cơ: Mỗi trục được điều khiển bởi một động cơ:

– Động cơ servo: cho độ chính xác cao và khả năng kiểm soát lực.

– Động cơ bước: cho các ứng dụng cần độ chính xác nhưng không quá cần tốc độ.

4/ Bộ truyền động: Chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến.

– Các cơ cấu truyền động phổ biến bao gồm:

+ Dây đai: Cho các ứng dụng tốc độ cao, tải nhẹ đến trung bình.

+ Vít me bi: Cho độ chính xác cao và khả năng chịu tải nặng.

+ Thanh răng – bánh răng: Cho các ứng dụng tầm với rất lớn.

5/ Khung đỡ: Cấu trúc khung cứng vững, thường có dạng cổng (gantry) hoặc một khung đỡ chắc chắn.

=> Đảm bảo độ ổn định và chính xác trong quá trình hoạt động.

6/ Bộ điều khiển: Tiếp nhận chương trình, tính toán và phối hợp chuyển động của từng trục để đưa đầu công cụ đến vị trí mong muốn.

7/ Bộ phận cuối cánh tay: Công cụ được gắn vào đầu trục Z, tùy thuộc vào ứng dụng.

– Ví dụ: đầu phun keo, mỏ hàn, bộ kẹp, dao cắt laser, đầu in 3D.

>>> Xem thêm: Các loại cánh tay robot trong công nghiệp

Nguyên lý hoạt động của Robot Cartesian

Nguyên lý hoạt động của Robot Cartesian rất trực quan và dựa trên sự điều khiển độc lập của từng trục:

– Robot di chuyển và định vị điểm làm việc dựa trên các tọa độ X, Y, Z.

+ Mỗi trục (X, Y, Z) hoạt động độc lập với nhau.

– Vị trí của đầu công cụ được xác định trực tiếp bằng tọa độ hiện tại của mỗi trục.

+ Ví dụ: nếu trục X đang ở 100mm, trục Y ở 50mm và trục Z ở 20mm, thì đầu công cụ đang ở vị trí (100, 50, 20).

– Khi lập trình một điểm đến, bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu riêng biệt tới động cơ của từng trục (X, Y, Z).

+ Mỗi động cơ sẽ di chuyển trục tương ứng đến vị trí mục tiêu.

Nhờ việc chỉ di chuyển theo đường thẳng và cấu trúc cơ khí cứng vững, Robot Cartesian có khả năng đạt được độ chính xác và độ lặp lại cực kỳ cao trong các chuyển động tuyến tính.

Các loại robot Cartesian phổ biến

Có nhiều cách để phân loại robot Cartesian dựa trên cấu hình và số trục điều khiển:

Phân loại theo số lượng trục

Đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa trên số lượng trục di chuyển độc lập mà robot có:

1/ Robot Cartesian 1 Trục: Chỉ có một trục tuyến tính duy nhất (trục X).

– Hoạt động: Di chuyển theo một đường thẳng.

– Ứng dụng tiêu biểu: Di chuyển vật liệu qua lại trên băng chuyền, đóng mở cửa tự động trong các hệ thống lớn.

– Ưu điểm: Cực kỳ đơn giản, dễ lắp đặt, chi phí thấp, lý tưởng cho các hành trình dài và tải trọng lớn trên một phương.

2/ Robot Cartesian 2 Trục: Hai trục tuyến tính vuông góc với nhau (ví dụ: X-Y hoặc X-Z).

– Hoạt động:

+ XY Gantry: Di chuyển trong một mặt phẳng ngang.

+ XZ Gantry: Di chuyển trong một mặt phẳng đứng.

– Ứng dụng tiêu biểu:

+ XY: Máy vẽ 2D, máy cắt laser/plasma 2D, các ứng dụng gắp đặt đơn giản trên mặt phẳng, định vị đầu phun trên bề mặt phẳng.

+ XZ: Nâng hạ và di chuyển vật thể trong một mặt phẳng dọc.

– Ưu điểm: Độ chính xác cao trong mặt phẳng, đơn giản và hiệu quả cho các tác vụ 2D.

3/ Robot Cartesian 3 Trục: Đây là cấu hình phổ biến nhất của Robot Cartesian, với ba trục vuông góc X, Y, và Z.

– Hoạt động: Cho phép robot di chuyển tự do trong không gian ba chiều (hình hộp chữ nhật).

– Ứng dụng tiêu biểu:

+ Máy CNC 3 trục, máy in 3D quy mô công nghiệp.

+ Các ứng dụng gắp đặt và lắp ráp phức tạp trong không gian 3D.

+ Kiểm tra và đo lường 3D, phun keo, hàn điểm chính xác.

– Ưu điểm: Linh hoạt và mạnh mẽ trong không gian 3D với độ chính xác cao.

4/ Robot Cartesian nhiều hơn 3 trục: Ngoài 3 trục tuyến tính X, Y, Z, robot có thể được trang bị thêm các trục quay ở bộ phận cuối cánh tay (tại điểm gắn công cụ) để định hướng công cụ.

– Hoạt động:

+ Các trục quay này thường mô phỏng các chuyển động của cổ tay (ví dụ: quay Roll, Pitch, Yaw).

+ Bổ sung khả năng định hướng công cụ mà không làm thay đổi vị trí X, Y, Z.

– Ứng dụng tiêu biểu:

+ Hàn phức tạp (cần định hướng mỏ hàn).

+ Phun sơn trên bề mặt không phẳng.

+ Lắp ráp các chi tiết yêu cầu căn chỉnh góc.

+ Hoặc các ứng dụng kiểm tra cần xoay cảm biến.

– Ưu điểm: Nâng cao đáng kể tính linh hoạt của công cụ trong khi vẫn giữ được độ chính xác vị trí cao đặc trưng của Cartesian.

Phân loại theo cấu trúc khung

Ngoài số trục, robot Cartesian còn có thể được phân loại dựa trên cấu trúc tổng thể:

1/ Robot Cartesian Cân (Cantilever Cartesian Robot):

– Cấu hình: Trục Y hoặc Z được hỗ trợ chỉ ở một đầu bởi trục bên dưới nó.

– Đặc điểm: Nhỏ gọn hơn, độ cứng vững và khả năng chịu tải có thể bị hạn chế.

– Ứng dụng: Các tác vụ nhẹ, không yêu cầu độ chính xác tuyệt đối ở cuối tầm với.

2/ Robot Gantry (Gantry Robot / Bridge Robot):

– Cấu hình: Đây là dạng phổ biến nhất cho các robot Cartesian lớn.

+ Trục Y (hoặc Z) được hỗ trợ ở cả 2 đầu bởi 2 trục X song song.

+ Cấu trúc này tạo thành một “cổng” (gantry).

– Đặc điểm:

+ Độ cứng vững cực cao.

+ Không gian làm việc rộng lớn.

+ Tải trọng lớn: Có khả năng mang tải trọng từ vài trăm kg đến hàng tấn.

– Ứng dụng tiêu biểu: Xử lý các tấm vật liệu khổng lồ (kim loại, kính), xây dựng máy bay, lắp ráp xe hơi, các hệ thống kho tự động (AS/RS).

Phân loại theo cơ cấu truyền động

1/ Dây đai và Puli (Belt and Pulley): Phổ biến cho các trục dài, tốc độ cao, tải trọng nhẹ đến trung bình, giá thành kinh tế.

2/ Vít me bi (Ball Screw): Mang lại độ chính xác cực cao, phù hợp cho tải trọng nặng hơn và các ứng dụng cần định vị chính xác.

3/ Thanh răng – Bánh răng (Rack and Pinion): Dùng cho các trục cực dài, tốc độ cao, nhưng độ chính xác có thể thấp hơn vít me bi.

4/ Động cơ tuyến tính (Linear Motors): Cung cấp tốc độ và độ chính xác cao nhất mà không cần bộ truyền động cơ học trung gian, nhưng chi phí cao hơn.

Ưu nhược điểm của Robot Cartesian

1/ Lợi ích (Ưu điểm)

– Các ứng dụng yêu cầu không gian làm việc rộng, Robot Cartesian thường có chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn đáng kể.

– Cấu trúc đơn giản, ít khớp quay phức tạp và các bộ phận được hỗ trợ tốt.

– Hoạt động ổn định, bền bỉ trong thời gian dài, ít bị hao mòn và giảm thiểu sự cố.

– Thực hiện xuất sắc các công việc di chuyển theo đường thẳng.

– Là lựa chọn hoàn hảo cho các quy trình như: phun, cắt, in hoặc xử lý vật liệu trên các bề mặt phẳng lớn.

– Dễ dàng tùy chỉnh kích thước, số trục và cấu hình để phù hợp với từng yêu cầu.

– Robot Cartesian giúp giảm đáng kể tỷ lệ sản phẩm lỗi, đảm bảo chất lượng đầu ra đồng đều và nâng cao hiệu quả tổng thể.

2/ Nhược điểm

– Robot Cartesian không thể thực hiện các chuyển động cong, uốn lượn phức tạp hoặc tiếp cận các vị trí khuất như robot khớp nối.

– So với robot SCARA hoặc robot Delta, Robot Cartesian thường chậm hơn.

– Tốc độ của chúng bị giới hạn bởi khối lượng di chuyển của các trục và quán tính.

– Cấu trúc khung và các trục có thể rất lớn và chiếm nhiều diện tích sàn trong nhà máy.

– Khó tích hợp vào các khu vực sản xuất có nhiều vật cản hoặc không gian chật hẹp.

Các ứng dụng của Robot Cartesian

Robot Cartesian được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp:

– Xử lý vật liệu nặng như tấm kim loại lớn, kính, vật liệu xây dựng, các bộ phận máy bay, hoặc di chuyển pallet trong kho.

– Phun sơn đồng đều trên các bề mặt phẳng lớn.

– Dán keo tự động với độ chính xác cao trong ngành sản xuất ô tô, đồ nội thất, thiết bị gia dụng.

– Cắt gọt: Cắt laser, plasma, waterjet trên các tấm vật liệu lớn (kim loại, vải, nhựa, gỗ) với đường cắt chính xác.

– In 3D quy mô lớn, xây dựng các vật thể theo từng lớp.

– Lắp ráp các chi tiết lớn, hoặc các tác vụ yêu cầu di chuyển thẳng và đặt chính xác, ví dụ như lắp ráp các tấm pin mặt trời.

– Di chuyển cảm biến hoặc camera trên một diện tích lớn để quét, kiểm tra bề mặt, đo lường kích thước hoặc phát hiện lỗi.

– Kho bãi tự động – nơi robot cầu trục tự động di chuyển hàng hóa trong các kho cao tầng.

>>> Xem thêm: 10 ngành công nghiệp có thể ứng dụng cánh tay robot

Kết Luận:

Robot Cartesian sở hữu cấu trúc đơn giản nhưng vô cùng mạnh mẽ và chính xác. Chúng là lựa chọn tối ưu cho những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, khả năng chịu tải nặng và hoạt động trên các đường thẳng trong không gian làm việc hình hộp chữ nhật.

Hãy liên hệ tới VNTECH để được tư vấn chi tiết giải pháp tự động hóa phù hợp nhất với doanh nghiệp của bạn.

VNTECH - Đơn vị cung cấp máy móc gia công cơ khí chính hãng, uy tín, đa dạng về chủng loại, đáp ứng mọi nhu cầu sản xuất. Để được tư vấn chi tiết và nhận báo giá tốt nhất, quý khách vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới.