Roboterpositionierungssysteme sind lange Schienensysteme in Lagerhallen, der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, die es einem Roboter ermöglichen, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen. Diese Bewegungssysteme, auch Robotertransfereinheiten (RTUs) oder 7-Achsen-Systeme genannt, werden zunehmend in der Montage, beim Schweißen im großen Maßstab und in der Lagerhaltung eingesetzt.

Im Gegensatz zu typischen Systemen, bei denen ein Roboter am Boden befestigt ist, bewegen RTUs Roboter durch Arbeitszellen und Fabriken und pendeln sie zwischen Stationen. Die besten Systeme für RTUs sind solche, die gerade erst gebaut werden oder bei denen Prozesse und zugehörige Maschinen in einer geraden Reihe angeordnet werden können. Wenn RTUs sechsachsige Roboter bewegen, werden die linearen Schienen manchmal auch als siebte Achse bezeichnet (oder seltener, wenn der Roboter selbst sieben Freiheitsgrade hat, als achte Achse). Wenn diese Schienen Teil eines Rahmens sind, einschließlich der Rahmen, an denen der Roboter hängt, spricht man von Portalen.

Unabhängig von der Roboter- oder Schienenmorphologie besteht der Sinn der zusätzlichen Achse darin, Translationsbewegungen zu ermöglichen. Dies erweitert entweder den Arbeitsbereich oder ermöglicht dem Roboter den Transport von Werkstücken oder Werkzeugen. In manchen Konfigurationen ermöglicht Ersteres dem Roboter die Bedienung mehrerer Maschinen, das Entnehmen von Paletten aus Reihen oder die Bearbeitung sehr großer Bauteile. Typische Anwendungsgebiete für Letzteres sind Verpacken, Schweißen, Plasmaschneiden und andere mechanische Aufgaben.

Hier konzentrieren wir uns auf Antriebsoptionen für RTUs. Beachten Sie jedoch, dass Ingenieure auch zwischen einer Reihe von Führungen und Lagern (normalerweise in Form von Kurvenrollen oder Profilführungen) entscheiden müssen.

Zahlreiche Design- und Antriebsoptionen für RTUs
Obwohl einige Portale über Rahmen verfügen, um Roboter umzudrehen und aufzuhängen, damit sie von oben besser an die Maschinen gelangen können, sind RTUs, die am Boden verschraubt werden und den Roboter aufrecht ausrichten, am weitesten verbreitet. Diese RTUs haben im Durchschnitt höhere Nutzlasten und können Roboterarme und Greiflasten von mehreren Tausend Pfund tragen.

Ingenieure können vorgefertigte RTUs kaufen oder mithilfe ihres Bewegungssystem-Know-hows selbst RTUs bauen. Am einfachsten sind Linearschienenpaare mit Plattformen, an denen der Roboter befestigt wird. Viele OEMs beauftragen jedoch spezialisierte Integratoren für Situationen, in denen Roboter auf RTUs hochpräzise Aufgaben ausführen – beispielsweise Schneidaufgaben (bei denen die Konstruktion die Artikulation mehrerer Achsen synchronisieren muss) oder das Bewegen von Gussteilen durch verschiedene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Roboter-Transfereinheiten besteht darin, sie so zu programmieren, dass sie mit der Artikulation der von ihnen getragenen Roboterarme synchronisiert sind. Die zweitgrößte Herausforderung besteht darin, RTUs dazu zu bringen, über viele Meter hinweg eine präzise lineare Bewegung aufrechtzuerhalten.

Erfüllung der körperlichen Voraussetzungen für lange Hübe
Manchmal ist Geschwindigkeit das wichtigste Ziel bei der Entwicklung von RTUs. Dies gilt insbesondere dann, wenn RTUs Roboter in Spezialanwendungen über mehrere hundert Meter oder sogar mehr transportieren. Hohe Geschwindigkeit ist im Kontext beweglicher Roboter – manchmal mit Armen von mehreren tausend Pfund plus Nutzlast – relativ. Einige RTUs können sich jedoch mit einer Beschleunigung von bis zu einer g mit über 3 Metern pro Sekunde bewegen.

Doch oft ist Genauigkeit das oberste Ziel bei der Entwicklung von RTUs. Stellen Sie sich beispielsweise eine Anwendung vor, bei der ein Roboter eine kooperative Arbeitszelle bei der Bearbeitung unterstützt. Hier sind Geschwindigkeit und die Erweiterung des Roboterarbeitsbereichs nur dann sinnvoll, wenn die umgebende Struktur die Genauigkeit gewährleistet. Solche Konstruktionen erfordern oft eine Genauigkeit von 0,02 mm und eine Positionierungswiederholgenauigkeit von etwa 0,2 mm während der Schienenbewegungen.

Wenn hingegen ein Roboterarm für Anwendungen verwendet wird, bei denen adaptive Steuerungen auf Herz und Nieren geprüft werden, bei denen es aber weniger auf absolute Präzision ankommt, können auch andere Konfigurationen funktionieren. Dies kann sogar die Form eines mobilen Fahrzeugs annehmen, das mit einem Roboterarm ausgestattet ist – beispielsweise zum Entladen von Schiffscontainern.

Unabhängig vom Design sind geringer Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer für alle RTU-Systeme entscheidend, da sie in der Regel mit mehreren Anlagenfunktionen und mehreren anderen Maschinen verbunden sind. Daher führen RTU-Ausfälle häufig dazu, dass andere Stationen außer Betrieb gesetzt werden.

Integrierte Sicherheit ist auch deshalb wichtig, weil viele RTUs Roboter durch Bereiche bewegen, in denen sich teure Geräte wie Werkzeugmaschinen oder sogar Arbeiter befinden – insbesondere, wenn sie in der Nähe von Bereichen mit Montagepersonal arbeiten.

Riemen, Schrauben und Pneumatik für RTUs
Roboterportale, die mittlere lineare Distanzen zurücklegen, verwenden häufig Motoren in Kombination mit Riemenantrieben. Dabei handelt es sich um relativ einfache Systeme, die mithilfe von Riemenscheiben mit Elektromotoren Spannung entlang eines Riemens erzeugen und schnell beschleunigen. Bei längeren Hüben kann es jedoch zu Problemen mit durchhängenden Riemen kommen, wenn das System die Spannung nicht über die gesamte Länge aufrechterhalten kann. Um es klarzustellen: Das Problem liegt nicht in der Nutzlastbegrenzung, sondern vielmehr im Risiko von Bewegungsverlusten durch die Nachgiebigkeit des Riemens.

Es gibt Ausnahmen von der Skalierbarkeitsbeschränkung. In einigen RTUs treiben Riemenachsen (angetrieben von einer gemeinsamen Antriebswelle) harmonische Kurbelwellen an. Hier können Riemenantriebe unter den richtigen Bedingungen die Genauigkeit für die Positionierung von Robotern mit großem Hub aufrechterhalten. Die meisten erfolgreichen riemengetriebenen RTUs verwenden Rahmen und lineare Schienen in komplementären Ausrichtungen, um die Präzision des Riemenantriebs zu steigern. Einige dieser RTUs mit riemengetriebenen Schienenantrieben können eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,001 Zoll erreichen, selbst wenn sie eintonnenschwere Roboter über mehrere Meter bewegen. Hier sorgen riemengetriebene Antriebe (dank der richtigen Schienen) für RTUs, die günstiger und flexibler sind als Alternativen.

Eine weitere Option für die siebte Achse ist eine kugelumlaufspindelgetriebene Achse. Diese Konfiguration behebt Vibrationen und Federungen, die bei Riemenantrieben auftreten können. Im Wesentlichen übernimmt ein festes mechanisches Element die Steuerung für präzises Anhalten und Positionieren.

Kugelumlaufspindeln funktionieren in der Regel gut in Aufbauten bis zu etwa sechs Metern Länge mit Hilfe von intermittierenden Lagerstützen. Bei längeren Achsen besteht das Hauptproblem darin, dass die Spindeln bei hohen Geschwindigkeiten peitschen, insbesondere wenn sie nicht ausreichend gestützt werden. Das liegt daran, dass sich Kugelumlaufspindelwellen unter ihrem eigenen Gewicht verbiegen. Bei der kritischen Geschwindigkeit (abhängig von Spindelwellendurchmesser, Geradheit, Ausrichtung und freitragender Länge) regt die Bewegung die Eigenfrequenz der Welle an. Daher sinkt die Maximalgeschwindigkeit mit zunehmender Kugelumlaufspindellänge.

Einige Aufbauten verwenden Lagerblöcke, die sich trennen und zusammenklappen lassen – und dann verbleiben und die Schraube stützen, um ein längeres, peitschenfreies Ausfahren zu ermöglichen. Für besonders lange Schienen mit Kugelumlaufspindeln müssen die Hersteller jedoch mehrere Schrauben miteinander verbinden (normalerweise mit Klebstoff statt Schweißen, um eine verzogene Geometrie zu vermeiden). Andernfalls muss die Schraube einen besonders großen Durchmesser haben, um das Peitschenproblem zu lösen. Die Hübe mancher solcher kugelumlaufspindelbasierten Aufbauten erreichen 10 Meter und erreichen Drehzahlen von bis zu 4.000 U/min. Ein weiterer Vorbehalt: Schrauben in Roboterschienen müssen vor Schmutz und Ablagerungen geschützt werden. Dort, wo sie eingesetzt werden, bewältigen RTUs mit Elektromotoren und Kugelumlaufspindeln jedoch größere Lasten als riemengetriebene Achsen.

Es gibt auch hydraulische Antriebe für Langhub-Konfigurationen. Solche pneumatischen RTUs sind in der Regel eine kostengünstige Lösung für Anwendungen, die nur eine Hin- und Her-Positionierung mit zwei Stopps erfordern. Durchschnittliche Angebote bewegen sich mit 2 m/s und lassen sich in andere Robotersteuerungen integrieren.

Linearmotoren für Präzisions-RTUs
Langhub-RTUs (z. B. für den Einsatz in der Laborrobotik) können Linearmotorantriebe verwenden. Die meisten dieser RTUs verfügen außerdem über modernste Elektronik, Absolutwertgeber und Bewegungssteuerung zur Nachführung der Achsen, auch nach Fehlern oder Abschaltungen.

Die typische Reichweite eines Linearmotors liegt bei etwa vier Metern. Diese Reichweite eignet sich eher für Pick-and-Place-Anwendungen und die Handhabung von Halbleiterwafern als für schwerere RTU-Anwendungen. Kurz gesagt: Linearmotoren in RTUs stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie zwar die mechanische Genauigkeit gewährleisten, aber hohe Nutzlasten tragen müssen. Dies erfordert mehr der teuren Permanentmagnete, die für die hohe Leistung von Linearmotoren verantwortlich sind.

Es gibt Ausnahmen. Eine Weltrekord-RTU mit Tandem-Linearantrieben wurde in Auftrag gegeben und speziell für eine Automatisierungsanlage gebaut, die Präzisionsbewegungen bis zu 12 m erforderte. Starre Aluminium-Tragschienen arbeiten mit zwei sechsreihigen Kugelumlauflagern und Führungsschienen. Zwei geschlitzte Synchron-Linearmotoren erzeugen eine Kraft von bis zu 4.200 N.

Zahnstangensätze für RTUs
Am gebräuchlichsten sind handelsübliche RTUs mit Zahnstangenantrieb. Typische Längen erreichen bis zu 15 Meter. Die Steuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert, wodurch eine zusätzliche Steuerung überflüssig wird. Viele dieser RTUs erreichen durch die Kombination eines bürstenlosen AC-Servomotors und eines Planetengetriebes mit geschliffenen, schrägverzahnten Zahnstangenantrieben selbst bei Hüben von 30 Metern eine hohe Genauigkeit. Andere Aufbauten verwenden einen Schlitten, der auf Hochleistungsrollen in einem Block über eine einseitige Schiene fährt. Die Schienen sind hier meist rechteckig und weisen an der Innenkante eine Zahnstange auf. Diese können, wo sinnvoll, mit gekrümmten Segmenten verbunden werden.

Einige RTUs, die den Roboter auf der Fahrplattform bewegen, verwenden flache Schienen aus gehärtetem Stahl und kombinieren diese mit Nockenstößeln. Andere nutzen einen Elektromotor mit Kegelradgetriebe und Riemen zum Antrieb der Plattform. Auf der langen Shuttle-Achse verfügt die RTU über einen elektrischen Getriebemotor, der ein Ritzel antreibt, das in eine Zahnstange eingreift.

Simulation und Programmierung von RTUs
Es gibt Tools, mit denen Ingenieure die Pfade von RTUs planen und mit den Roboterfunktionen koordinieren können. Robotersimulationssoftware und sogar einige Motion-Controller-Module ermöglichen es Ingenieuren, Strecken zu planen, die resultierende Software auf einen Controller zu laden und dann Roboter und RTU mit dieser einen Hardware zu steuern.

Eine weitere Option ist Software von spezialisierten Softwareunternehmen, die Roboterentwicklungskits verkaufen, mit denen sich Roboter fast aller Marken über APIs programmieren lassen. Diese und unzählige andere Softwaretools machen die Robotereinrichtung einfacher als je zuvor, insbesondere für Teams mit mäßiger Erfahrung in Bewegungssteuerung oder CNC. Erste Designiterationen erfolgen in der Regel durch Offline-PC-Programmierung. Wenn das Personal dann den Roboter und die RTU installiert, erzeugt die Programmiersoftware Code, der auf die Steuerung geladen wird. Die Software steuert die RTU und den Roboter entlang programmierter Pfade, um auf Probleme zu testen. Als Nächstes verwendet der Installateur ein Bediengerät, um Greifer, Schneidegerät oder Endeffektor des Roboters an arbeitsspezifischen Punkten im Raum zu positionieren, während die Steuerung die Bewegungen aufzeichnet. Andernfalls können Installateure für die gesamte Einrichtung ein Bediengerät verwenden und die Trajektorien anschließend auf dem Backend verfeinern – ein zunehmend gängiger Ansatz.

Vorsichtsmaßnahme: RTUs erschweren die Roboterkalibrierung
Nach der physischen Einrichtung müssen RTUs und Roboter kalibriert werden. Der Haken dabei ist, dass Industrieroboter in Kombination mit RTUs oft wiederholbare, aber ungenaue Bewegungen ausführen und daher eine von den Simulationsnäherungen abweichende Ausgangsbewegung erzeugen. Industrieroboter allein weisen im Durchschnitt eine unidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 bis 0,01 mm auf. Typische Achsen sind mit einem spielfreien Getriebe und Motor gekoppelt, und eine Steuerung verfolgt sie alle mit hochauflösenden Encodern. Eine weitere Steigerung der Ausgangsbewegungsgenauigkeit wird kostspielig, da Baugruppen und Komponenten wie Getriebe zu Totgang führen (meist aufgrund mechanischer Nachgiebigkeit). Daher müssen Steuerungen Positionsfehler in manchen Fällen im Millimeterbereich ausgleichen.

Bei der herkömmlichen Roboterkalibrierung kommt eine kostspielige Laserausrichtung zum Einsatz. Diese kann den Ausgabefehler manchmal um das Zwanzigfache reduzieren. Alternativ bieten Roboterhersteller eine Werkskalibrierung an. Spezialisierte Roboterkalibrierungsunternehmen bieten zudem Dienstleistungen an, die den Einfluss einer zusätzlichen RTU auf die Gesamtpräzision des Roboters berücksichtigen. Alternativ ermöglichen Dual-Kamera-Sensoren die Sondierungsprüfung und dynamische Messung mittels Optik und Spezialbeleuchtung. Mechanische Kalibrierungsmethoden sind eine weitere Option, allerdings sind diese bei Robotern auf langen Strecken schwieriger anzuwenden.