Cinématique simple pour tâches spécialisées
Robots Cylindriques
Les robots cylindriques, également appelés robots à colonne, se distinguent par un système cinématique reposant principalement sur un mouvement rotatif autour de l'axe vertical et linéaire sur l'axe Z. Ils disposent souvent aussi d'un axe de portée supplémentaire permettant de doser, saisir ou positionner précisément des éléments à faible distance de la colonne. Cette configuration mécanique rend le robot cylindrique particulièrement adapté aux tâches exigeant des rotations régulières et des mouvements « haut-bas », notamment lorsque les postes de production sont disposés radialement autour de l'axe de rotation.
Pourquoi envisager des robots cylindriques ?
Conception simple et faibles coûts de maintenance : Des articulations moins complexes et des entraînements plus simples réduisent le nombre de pannes potentielles et les coûts de maintenance.
Facilité d’intégration : Grâce à un nombre limité de mouvements, rotation + vertical + éventuellement extension, un robot cylindrique peut être plus facile à programmer et plus rapide à déployer pour des applications rotatives répétitives.
Gain de place : La construction en colonne occupe peu d'espace dans le plan horizontal, ce qui constitue un avantage dans les ateliers exigus ou lorsque les postes sont densément disposés.
Robots cylindriques (Cylindrical robots)
Construction et principe de fonctionnement
Les robots cylindriques, contrairement aux cartésiens ou articulés, se distinguent par une colonne verticale, axe Z, et la possibilité de rotation autour de cet axe. De nombreuses constructions ajoutent également une portée radiale permettant de déplacer horizontalement l’outil, par exemple un préhenseur.
Construction mécanique
- Colonne (axe Z) La base du robot est constituée d’une colonne verticale le long de laquelle se déplace un bras ou un chariot. Cela permet un mouvement vers le haut et vers le bas afin de prendre ou de déposer des pièces à différents niveaux.
- Axe de rotation Le plus souvent située à la base de la colonne, elle permet au robot de tourner dans le plan horizontal. Un seul bras peut ainsi desservir plusieurs postes disposés autour de lui. Extension / rayon (optionnel)
- Extension / rayon (optionnel) Permet de déplacer l'outil, par exemple un préhenseur ou un capteur, plus loin de l'axe de la colonne, ce qui augmente la portée horizontale du robot. Dans certaines constructions, il peut s'agir d'un axe linéaire ou rotatif supplémentaire.
Entraînement et commande
- Moteurs pas à pas ou servomoteurs Commandent le mouvement sur l’axe de rotation et l’axe vertical Z. Selon les exigences de précision, on utilise des moteurs pas à pas, moins coûteux mais moins précis, ou des servomoteurs offrant davantage de précision et de dynamique.
- Contrôleurs et panneaux HMI Les robots cylindriques peuvent être commandés par des PLC standards ou par des contrôleurs dédiés du fabricant. Leur logiciel est généralement moins complexe que celui des robots articulés, ce qui facilite le déploiement.
- Capteurs et Systèmes de Sécurité Selon l'application, il est possible d'intégrer des capteurs de fin de course, des barrières immatérielles ou des systèmes de vision. Des solutions de sécurité simples sont toutefois souvent suffisantes si le robot travaille dans une zone séparée.
Mode de mouvement
- Mouvement cylindrique complexe Un robot cylindrique combine un mouvement linéaire sur l'axe vertical avec une rotation autour de sa base. Cette combinaison permet de desservir plusieurs postes de travail disposés autour du robot, ce qui en fait une solution idéale pour les processus exigeant flexibilité et répétabilité.
- Manipulation précise Grâce au réglage de la portée du bras, un robot cylindrique peut travailler à différents rayons autour de son axe principal. Cela permet d’adapter le mouvement au processus, du simple transport de pièces à des tâches plus précises comme l’emballage ou l’assemblage.
- Nombre d'axes limité : généralement 2 à 3 degrés de liberté, rotation + vertical + rayon, contre jusqu'à 6 pour les robots articulés.
- Facilité de maintenance : moins de points de connexion et d'articulations mécaniques signifie moins d'éléments nécessitant une maintenance.
- Programmation intuitive : les mouvements définis sur un axe rotatif et un axe vertical, avec éventuellement une portée supplémentaire, sont relativement simples à programmer.
Principaux avantages
Principaux avantages des robots cylindriques
Les robots cylindriques peuvent sembler moins polyvalents que les robots articulés ou cartésiens, mais ils possèdent plusieurs caractéristiques qui les rendent particulièrement intéressants pour certaines applications :
- Construction compacte et stable La colonne principale occupe peu d’espace horizontal. Le robot peut ainsi être installé à proximité d’autres machines sans prendre de place précieuse dans le hall.
- Faibles coûts d'exploitation Le nombre réduit d'articulations et la mécanique simplifiée limitent le nombre de pièces susceptibles de s'user. Cela se traduit généralement par des coûts de maintenance et de pièces de rechange plus faibles.
- Facilité d’utilisation et de configuration La simplicité de la cinématique réduit la courbe d’apprentissage des opérateurs et des ingénieurs. Il n’est souvent pas nécessaire de disposer de systèmes offline avancés ou de simulation 3D pour programmer les mouvements de base d’un robot cylindrique.
- Stabilité en rotation et en vertical Dans les tâches qui exigent une rotation régulière autour de l’axe propre et des mouvements verticaux, par exemple le dosage ou le prélèvement de pièces dans un tambour, un robot cylindrique offre des résultats très répétables.
Applications industrielles
Robots cylindriques
Bien que les robots cylindriques semblent moins avancés sur le plan cinématique que leurs homologues articulés ou cartésiens, ils se révèlent parfois irremplaçables dans certains processus. Nous présentons ci-dessous leurs domaines d'utilisation les plus fréquents :
Rotation et dosage
Dosage rotatif de liquides
Lorsqu'un système de dosage doit tourner autour d'un axe central et se déplacer verticalement sur l'axe Z, un robot cylindrique garantit simplicité et répétabilité.
Application automatique de substances
Peintures, colles, lubrifiants : dosage le long de l’axe vertical et rotation afin de répartir uniformément le produit sur un élément en rotation.
Machines rotatives et tambours
Prélèvement de pièces dans un tambour
Dans les processus où les éléments sont placés aléatoirement dans un tambour rotatif, le robot cylindrique peut tourner autour de l'axe de la colonne, se déplacer verticalement et extraire efficacement les pièces.
Tri radial
Si les postes sont disposés autour du robot, un robot à colonne peut facilement passer d'un point à l'autre en combinant un mouvement rotatif et vertical.
Applications d'assemblage simples
Disposition des éléments sur l'axe vertical
Lorsque des mouvements précis de haut en bas et une rotation suffisent pour insérer les pièces dans les logements préparés.
Vissage de vis ou d'écrous
Une rotation limitée et un changement de hauteur peuvent suffire dans des processus d’assemblage homogènes ne nécessitant pas de manœuvres complexes sur plusieurs plans.
Desserte de machines
Charge verticale
Un robot cylindrique peut prendre des matières premières dans une zone, les soulever sur l'axe Z, pivoter, puis les déposer dans une machine d'usinage ou au poste suivant.
Chargement et déchargement
Grâce à la simplicité de ses mouvements, il coopère efficacement avec les machines à configuration circulaire ou à faible zone de travail, lorsque les opérateurs souhaitent automatiser uniquement une tâche définie.
Contrôle qualité et tests
Positionnement d'une caméra ou d'un capteur
Une rotation limitée et un mouvement vertical peuvent suffire pour inspecter séquentiellement plusieurs points d'une pièce donnée.
Tests simples d'enfoncement ou de serrage
Lorsque la répétabilité de la force d’appui sur l’axe Z et la possibilité de faire pivoter la pièce d’un angle choisi sont essentielles.
Robots cylindriques
Secteurs dans lesquels les robots cylindriques sont le plus souvent utilisés
Grâce à leur cinématique simple et à leurs mouvements stables en translation verticale et en rotation, les robots cylindriques sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels. Voici quelques exemples de secteurs dans lesquels ce type de robot est particulièrement apprécié :
Prélèvement de petits éléments dans un tambour et placement sur un convoyeur d’assemblage.
Dosage de pâte à braser ou pose de petits composants selon l'axe vertical.
Transfert de produits depuis des tambours rotatifs, par exemple dans les processus d’emballage ou de tri.
Application d'additifs ou d'épices par un mouvement de dosage vertical et uniforme.
Dosage de liquides, par exemple parfums, crèmes ou détergents, avec mouvement rotatif et vertical.
Prise et dépose de bouteilles ou de pots disposés autour de l'axe du robot.
Prélèvement de flacons dans des magasins circulaires, dosage des médicaments, fermeture et étiquetage des emballages.
Contrôle qualité par emmanchement ou mesure de la force d'appui.
Retrait des pièces injectées d’une table de moulage rotative et dépose dans la zone de refroidissement.
Manipulation de petits éléments dans les processus de pick & place lorsque les postes sont disposés autour de l’axe de rotation.
Manipulation rotative des échantillons, dosage de réactifs sur l'axe vertical.
Applications de test nécessitant une pression cyclique ou des contrôles de résistance sur une faible amplitude de mouvement.
Dans les secteurs où un mouvement rotatif et vertical répétitif est essentiel et où le processus ne nécessite ni trajectoires complexes ni grande capacité de charge, les robots cylindriques sont parfaitement adaptés, réduisant les coûts d'automatisation et accélérant la mise en service de nouvelles lignes de production.
Robots cylindriques
Exigences techniques et intégration
Les robots cylindriques, bien qu'ils possèdent une cinématique relativement simple, nécessitent toujours une adaptation appropriée aux conditions de travail et une intégration correcte à la ligne de production. Voici les principaux aspects à prendre en compte avant le déploiement :
Paramètres de fonctionnement
Plage de rotation
Quel angle de rotation est nécessaire pour desservir les éléments répartis autour du poste ? Certains modèles offrent une rotation allant jusqu’à 360°, tandis que d’autres permettent des rotations complètes répétées.
Capacité de charge et vitesse
Même si les robots cylindriques classiques sont utilisés pour des charges plus faibles, il convient de vérifier leur capacité de charge maximale sur l’axe vertical Z. La vitesse de rotation admissible est également importante afin d’éviter les vibrations lors des cycles rapides.
Précision et répétabilité
Dans certains processus, par exemple le dosage ou les tests, une grande précision de positionnement de l'axe Z et de l'angle de rotation est requise. Le paramètre de répétabilité est généralement exprimé en millimètres ou en micromètres.
Intégration avec les systèmes de commande
PLC et protocole de communication
Les robots cylindriques prennent souvent en charge des protocoles courants, par exemple EtherCAT, Profinet ou Modbus. Pour les applications simples, un PLC standard commandant l’axe Z et l’axe de rotation peut suffire.
Logiciels et programmation
Les fournisseurs proposent généralement leur propre environnement de création des trajectoires, même si une programmation séquentielle simple dans le PLC suffit souvent. Grâce au nombre limité d'axes, la programmation peut être très intuitive.
Sécurité et capteurs
Si aucune présence humaine n'est prévue dans la zone de travail du robot, des clôtures standard ou des barrières immatérielles suffisent. Dans les applications plus complexes, par exemple avec changement d'outil, il est utile d'envisager des capteurs de positionnement supplémentaires ou un système de vision.
Conditions environnementales
Température et humidité
Les robots cylindriques doivent être adaptés aux conditions de leur environnement de production, par exemple aux chambres froides dans l’industrie alimentaire ou à une humidité accrue dans les laboratoires.
Poussière et salissures
Si le processus génère de la poussière, des copeaux ou de fines particules métalliques, il convient d’utiliser des protections et des joints adaptés, par exemple une classe IP correspondant aux conditions.
Compatibilité avec l’Industrie 4.0
Lors de la coopération avec des systèmes IoT, collecte de données sur le fonctionnement du robot, vérifiez si le robot cylindrique peut être équipé de modules de communication pour la surveillance et le diagnostic à distance.
Robots cylindriques (Cylindrical robots)
Comparaison avec d’autres types de robots
Les robots cylindriques sont des équipements à la construction simple et efficace, permettant un mouvement dans un système cylindrique, rotation, déplacement vertical et portée optionnelle. Grâce à un faible nombre d'axes (généralement 2 à 3), ils sont particulièrement faciles à utiliser, entretenir et programmer. Ils constituent une solution idéale pour les applications exigeant répétabilité, précision et performances fiables. Pour bien comprendre leurs possibilités et choisir la meilleure technologie pour vos processus, il est utile de les comparer à d'autres types de robots, comme les robots cartésiens, SCARA, articulés, Delta, les cobots collaboratifs ou les Gantry.
Robots cylindriques vs robots cartésiens, XYZ
Cinématique et plage de mouvement
Les robots cylindriques combinent un mouvement de rotation autour de l’axe vertical avec un mouvement linéaire le long de cet axe Z, souvent complété par un axe radial pour la portée. Les robots cartésiens XYZ travaillent sur trois axes linéaires, ce qui facilite la définition de trajectoires simples, par exemple le long de X, Y et Z. Les robots cylindriques peuvent être plus compacts autour de l’axe de rotation, tandis que les robots cartésiens occupent souvent davantage d’espace dans le plan, mais offrent des mouvements perpendiculaires très lisibles.
Applications
Les robots cylindriques sont choisis lorsque les pièces ou les postes sont disposés autour d'un axe de rotation, par exemple dans des machines desservant une chambre cylindrique, ou pour des applications du type « saisir et tourner, puis lever, Z ». Les robots cartésiens XYZ sont très efficaces dans les processus exigeant de longs déplacements rectilignes, par exemple impression 3D, fraisage ou pick & place précis sur une grande surface.
Quand choisir ?
Si vous avez besoin d'un robot simple et fiable effectuant des rotations autour d'un axe tout en se déplaçant verticalement (Z), et que les postes sont disposés autour de lui, un robot cylindrique peut être suffisant et économique. En revanche, si vous disposez d'une grande zone de travail sur les axes X et Y et que la répétabilité des mouvements linéaires est essentielle, un robot cartésien (XYZ) sera plus polyvalent.
Robots cylindriques vs SCARA
Construction et dynamique
Les robots SCARA possèdent deux articulations rotatives dans le plan horizontal et un axe vertical Z rigide, ce qui leur confère une vitesse et une précision très élevées pour les tâches d’assemblage ou de pick & place. Les robots cylindriques, bien qu’ils puissent également tourner autour de leur propre axe, n’atteignent généralement pas une dynamique horizontale aussi élevée et se concentrent sur la desserte des postes disposés autour d’eux ainsi que sur le mouvement vertical.
Applications et avantages typiques
Les SCARA excellent dans le transfert rapide de composants et l’assemblage de petites pièces, notamment dans les espaces restreints. Les robots cylindriques conviennent davantage aux applications nécessitant une cinématique moins complexe, rotation, portée et mouvement vertical, par exemple dans des lignes simples de dosage ou de chargement de machines où les pièces sont disposées autour du robot. Les SCARA nécessitent généralement une trajectoire précisément conçue dans le plan, mais offrent une vitesse et une répétabilité de cycle supérieures.
Quand choisir ?
Si votre application exige des temps de cycle extrêmement courts et un travail principalement dans un seul plan, par exemple le vissage de petits éléments ou le pick & place, SCARA sera un meilleur choix. Si, en revanche, les pièces sont réparties autour du robot et qu’une simple rotation d’un certain angle ainsi qu’un mouvement sur l’axe vertical Z sont suffisants, un robot cylindrique peut être adéquat et moins coûteux à entretenir.
Robots cylindriques vs articulés (bras robotisés)
Degrés de liberté et amplitude de mouvement
Les robots articulés disposent de 4 à 6 axes rotatifs, ce qui leur confère une grande flexibilité et leur permet de réaliser des trajectoires complexes dans plusieurs plans. Les robots cylindriques offrent principalement une rotation autour de leur axe et un déplacement vertical Z, éventuellement complétés par une extension radiale. Leur amplitude de mouvement est donc nettement plus limitée que celle des robots articulés.
Applications
Les robots articulés sont particulièrement adaptés au soudage, à la peinture, à l’assemblage sous différents angles, à la desserte de machines CNC, etc. Les robots cylindriques conviennent davantage aux applications où des mouvements verticaux et une rotation limitée suffisent, par exemple pour prélever des pièces dans un tambour rotatif et les transférer vers une ou deux stations disposées autour de celui-ci.
Quand choisir ?
Si vous avez besoin de polyvalence et de mouvements dans de nombreuses directions spatiales, le robot articulé est sans égal. Si l’application exige uniquement des mouvements verticaux et une rotation autour de la base, un robot cylindrique accomplira la tâche de manière plus simple et moins coûteuse.
Robots cylindriques vs Delta
Cinématique et plage de mouvement
Les robots Delta reposent sur une cinématique avancée comprenant trois ou quatre bras fixés à une plateforme commune placée au-dessus de la zone de travail. Ils peuvent ainsi atteindre des vitesses très élevées lors du transfert de petits éléments. Les robots cylindriques effectuent un mouvement de rotation autour d'un axe vertical et un déplacement sur l'axe Z, éventuellement avec une extension, ce qui limite davantage leur amplitude de mouvement et leur dynamique est généralement plus faible.
Applications et caractéristiques
Les Delta dominent dans les cycles ultra-courts de pick & place, principalement avec des objets légers, par exemple dans les secteurs agroalimentaire ou pharmaceutique. Les robots cylindriques conviennent mieux aux tâches plus simples : ils peuvent tourner autour de leur axe, prélever un élément sur une station et le transférer vers une autre, notamment lorsque les postes sont disposés en cercle. Ils n'atteignent toutefois pas les vitesses ni la précision dynamique des Delta.
Quand choisir ?
Si la priorité est le transfert extrêmement rapide de petites pièces, des centaines de cycles par minute, choisissez un Delta. Si le processus est moins dynamique et exige seulement une rotation verticale et un mouvement simple, par exemple haut-bas, sans cinématique complexe, un robot cylindrique sera suffisant et souvent moins coûteux à exploiter.
Robots cylindriques vs cobots (collaboratifs)
Sécurité et interaction avec l’opérateur
Les cobots ont été conçus pour une collaboration directe avec l'humain (collaborative robots). Ils intègrent des systèmes de sécurité avancés capables de détecter les collisions et de permettre un travail côte à côte avec l'opérateur. Les robots cylindriques sont des constructions industrielles classiques qui nécessitent généralement des clôtures ou des barrières immatérielles lorsqu'ils fonctionnent à des vitesses ou avec des charges plus élevées.
Applications
Dans les tâches exigeant une interaction humain-robot, par exemple une assistance à l’assemblage où le robot présente les pièces à l’opérateur, les cobots ont l’avantage grâce à leurs mécanismes de sécurité intégrés et à leur reprogrammation rapide. Les robots cylindriques sont mieux adaptés aux mouvements rotatifs et verticaux fixes et répétitifs, sans nécessité d’une présence humaine proche dans la zone de travail.
Quand choisir ?
Si votre priorité est de travailler en toute sécurité avec un opérateur et de reconfigurer rapidement le poste pour différentes tâches, choisissez les cobots. Si le processus ne nécessite que de simples mouvements axiaux et une rotation et que le poste peut être clôturé, un robot cylindrique constituera une solution plus simple et souvent moins coûteuse.
Robots cylindriques vs Gantry (portiques)
Construction et zone de travail
Les systèmes Gantry (portiques) reposent sur plusieurs axes linéaires, souvent à grande échelle, par exemple lorsqu'un portique se déplace au-dessus de l'ensemble d'un hall. Ils permettent de transporter des éléments lourds ou volumineux entre de nombreux points répartis sur une vaste surface. Un robot cylindrique possède une structure plus compacte : une colonne avec axe de rotation et un guide (Z), idéale pour les applications où les postes sont disposés en cercle sur une petite zone.
Applications
Le Gantry correspond clairement à une plus grande échelle. On le rencontre souvent dans les entrepôts grande hauteur, l’industrie sidérurgique ou la desserte de lignes de production manipulant de lourdes charges. Les robots cylindriques sont généralement plus petits et destinés à des tâches telles que prendre une pièce dans un tambour, la tourner d’un angle défini, la positionner sur l’axe vertical et la transférer au poste suivant.
Quand choisir ?
Le Gantry convient lorsqu'une longue portée et la manutention d'éléments lourds sur une grande surface sont nécessaires. Si vous souhaitez toutefois automatiser des processus dans une petite zone conçue autour d'un axe de rotation, un robot cylindrique peut suffire et être incomparablement plus simple à installer.
Les robots cylindriques offrent une cinématique simple, adaptée aux tâches combinant rotation et mouvement vertical dans un espace limité. Ils constituent une solution économique et fiable pour de nombreux processus de type « pick and place » organisés selon une disposition circulaire. Toutefois, si la priorité est un pick & place ultrarapide, la collaboration avec un opérateur ou la couverture de très grandes zones, d’autres robots, tels que les Delta, les cobots ou les portiques Gantry, peuvent être plus efficaces. Le choix dépend toujours des spécificités du processus, de l’amplitude des mouvements et des paramètres de fonctionnement requis.
Questions fréquentes
Questions fréquentes sur les robots cylindriques
Les modèles cylindriques sont généralement prévus pour les charges légères et moyennes, bien qu’il existe des versions offrant une capacité un peu supérieure. Si une forte capacité de charge est essentielle, il vaut mieux examiner les solutions Gantry ou les robots articulés renforcés.
Cela dépend des entraînements utilisés, servo ou pas à pas, ainsi que des réducteurs. Dans la plupart des cas, il est possible d'obtenir une précision de l'ordre du centième de degré, ce qui est largement suffisant pour les applications de dosage et d'assemblage.
Un automate PLC et de simples séquences de mouvements, rotation, déplacement sur l'axe Z et éventuellement extension, suffisent souvent. Certaines entreprises fournissent leur propre logiciel avec interface graphique, mais pour les opérations simples, la programmation est généralement moins complexe que pour les robots articulés.
La construction en colonne permet une installation compacte. L'ensemble du « corps » du robot occupe généralement peu d'espace autour de l'axe, mais une zone de sécurité doit être prévue si le robot tourne à grande vitesse.
Grâce à une architecture mécanique simplifiée, la maintenance est souvent assez facile. Elle nécessite un contrôle périodique des roulements de l'axe de rotation, des guidages de l'axe Z, la lubrification des composants et la vérification de l'étanchéité des protections.
Oui, à condition d’assurer une rigidité suffisante sur l’axe Z et de programmer les paramètres de pression, qui peuvent par exemple être contrôlés par un servomoteur avec capteur de couple. Si vous avez besoin de mouvements plus complexes, notamment sur plusieurs plans, envisagez un robot articulé.
De nombreux modèles permettent d’ajouter une pince rotative ou un outil rotatif supplémentaire, par exemple une visseuse. Le robot dispose alors d’un axe supplémentaire R, même si cette configuration n’est pas standard sur toutes les constructions.
Cela dépend de la masse de la charge, du moment d’inertie et de la puissance des entraînements. Par rapport aux robots SCARA ou Delta, les robots cylindriques n’atteignent pas des vitesses aussi extrêmes, mais ils suffisent généralement pour les tâches standard de pick & place, de dosage et de desserte des machines.
Oui, en particulier lorsque des protocoles de communication courants et des contrôleurs PLC sont utilisés. Il suffit souvent d’adapter les entrées/sorties (I/O) aux signaux de la ligne et d’écrire de courtes séquences de mouvement.
Les robots cylindriques classiques sont des robots industriels conventionnels qui nécessitent souvent des barrières de sécurité. Si vous souhaitez une coopération avec l’être humain dans le même espace, il peut être utile d’envisager des cobots dédiés, dotés de systèmes de sécurité intégrés, comme des capteurs de force et de couple, et conçus pour l’interaction directe.
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