Roboterpositionierungssysteme sind lange Schienensysteme, die in Lagerhallen, der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Automobilindustrie eingesetzt werden, um einem Roboter die Ausführung mehrerer Aufgaben zu ermöglichen. Diese auch als Robotertransfereinheiten (RTUs) oder 7-Achs-Systeme bezeichneten Bewegungssysteme finden zunehmend Anwendung in der Montage, beim Großschweißen und in der Lagerhaltung.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Anlagen, bei denen Roboter fest am Boden montiert sind, bewegen RTUs (Robotertransporteinheiten) Roboter durch Arbeitszellen und Fabriken und transportieren sie zwischen verschiedenen Stationen. RTUs eignen sich besonders für neu entstehende Anlagen oder solche, in denen Prozesse und zugehörige Maschinen in einer geraden Reihe angeordnet werden können. Bei der Bewegung von Sechs-Achs-Robotern durch RTUs werden die Linearschienen manchmal auch als siebte Achse bezeichnet (oder seltener, wenn der Roboter selbst sieben Freiheitsgrade besitzt, als achte Achse). Sind diese Schienen Teil eines Rahmens, einschließlich des Rahmens, an dem der Roboter hängt, spricht man von Portalkranen.

Unabhängig von der Roboter- oder Kettenstruktur dient die zusätzliche Achse der Translationsbewegung. Dadurch wird entweder der Arbeitsbereich erweitert oder der Roboter kann Werkstücke oder Werkzeuge transportieren. In manchen Anordnungen ermöglicht die Translationsbewegung dem Roboter die Bedienung mehrerer Maschinen, das Kommissionieren von Paletten aus Reihen oder die Bearbeitung sehr großer Bauteile. Typische Anwendungsbereiche für die Translationsbewegung sind Verpackung, Schweißen, Plasmaschneiden und andere mechanische Aufgaben.

Hier konzentrieren wir uns auf Antriebsoptionen für RTUs. Es ist jedoch zu beachten, dass Ingenieure auch zwischen verschiedenen Führungen und Lagern (üblicherweise in Form von Kurvenrollen oder Profilführungen) wählen müssen.

Es gibt zahlreiche Design- und Antriebsoptionen für RTUs.
Obwohl einige Portalkrane über eine Rahmenkonstruktion verfügen, die es ermöglicht, Roboter umzudrehen und für einen besseren Zugang zu Maschinen von oben aufzuhängen, sind RTUs (Robotertransporteinheiten) am weitesten verbreitet, die am Boden verschraubt werden und den Roboter aufrecht ausrichten. Diese RTUs haben im Durchschnitt höhere Nutzlasten und tragen Roboterarme und gegriffene Lasten mit einem Gewicht von mehreren tausend Pfund.

Ingenieure können vorgefertigte Roboter-Transporteinheiten (RTUs) erwerben oder diese mithilfe ihrer Expertise im Bereich Bewegungssysteme selbst entwickeln. Die einfachsten Lösungen sind Linearführungs-Paare mit Plattformen, an denen der Roboter befestigt wird. Viele OEMs beauftragen jedoch spezialisierte Systemintegratoren, wenn Roboter auf RTUs hochpräzise Aufgaben ausführen sollen – beispielsweise Schneidvorgänge (bei denen die Konstruktion die Bewegung mehrerer Achsen synchronisieren muss) oder den Transport von Gussteilen durch verschiedene Werkzeugmaschinen zur Weiterverarbeitung.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Robotertransfereinheiten (RTUs) besteht darin, diese so zu programmieren, dass sie sich mit den Gelenkbewegungen der von ihnen getragenen Roboterarme synchronisieren. Die zweitgrößte Herausforderung ist es, sicherzustellen, dass die RTUs über viele Meter eine präzise lineare Bewegung beibehalten.

Erfüllung der körperlichen Voraussetzungen für lange Schwimmzüge
Manchmal ist Geschwindigkeit das wichtigste Designziel bei der Entwicklung von RTUs. Das gilt insbesondere dann, wenn RTUs Roboter über mehrere hundert Meter oder in speziellen Konfigurationen sogar noch weiter bewegen. Hohe Geschwindigkeit im Kontext von sich bewegenden Robotern – deren Arme mitunter mehrere tausend Kilogramm wiegen, zuzüglich ihrer Nutzlast – ist relativ. Dennoch erreichen einige RTUs Geschwindigkeiten von über 3 Metern pro Sekunde und Beschleunigungen von bis zu 1 g.

Doch häufig ist Genauigkeit das oberste Ziel bei der Entwicklung von Roboter-Transporteinheiten (RTUs). Betrachten wir beispielsweise eine Anwendung, bei der ein Roboter eine kooperative Arbeitszelle bei der Bearbeitung unterstützt. Hier sind Geschwindigkeit und die Erweiterung des Arbeitsbereichs des Roboters nur dann sinnvoll, wenn die umgebende Konstruktion eine hohe Genauigkeit gewährleistet. Solche Konstruktionen erfordern oft eine Genauigkeit von 0,02 mm und eine Positioniergenauigkeit von etwa 0,2 mm während der Bahnbewegungen.

Im Gegensatz dazu können andere Konfigurationen geeignet sein, wenn eine Anwendung einen Roboterarm für Aufgaben nutzt, die adaptive Steuerungen auf die Probe stellen, aber weniger auf absolute Präzision angewiesen sind. Dies kann beispielsweise in Form eines mit einem Roboterarm ausgestatteten Fahrzeugs geschehen – etwa zum Entladen von Schiffscontainern.

Unabhängig von der Bauart sind geringer Wartungsaufwand und lange Lebensdauer für alle RTU-Anlagen entscheidend, da sie üblicherweise mit mehreren Anlagenfunktionen und verschiedenen anderen Maschinen verbunden sind. Daher führt ein Ausfall der RTU häufig zu Betriebsunterbrechungen anderer Stationen.

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

Riemen, Schrauben und Pneumatik für RTUs
Roboterportale, die mittlere lineare Strecken zurücklegen, verwenden häufig Motoren in Kombination mit Riemenantrieben. Diese relativ einfachen Systeme nutzen elektrisch angetriebene Riemenscheiben, um Spannung entlang eines Riemens zu erzeugen und so schnell zu 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. Das Problem liegt also nicht in der begrenzten Nutzlast, sondern im Risiko von Bewegungsverlusten durch die Nachgiebigkeit des Riemens.

Es gibt Ausnahmen von der Einschränkung der Skalierbarkeit. In manchen RTUs treiben Riemenachsen (angetrieben von einer gemeinsamen Antriebswelle) Harmonic-Kurbelwellen an. Hier können Riemenantriebe unter den richtigen Bedingungen die Genauigkeit bei der Roboterpositionierung über große Hübe gewährleisten. Die meisten erfolgreichen riemengetriebenen RTUs nutzen Rahmen und Linearführungen in komplementären Ausrichtungen, um eine höhere Präzision des Riemenantriebs zu erzielen. Einige dieser RTUs mit riemengetriebenen Schienenaktuatoren erreichen eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,025 mm, selbst beim Bewegen von ein Tonnen schweren Robotern über mehrere Meter. Dank der geeigneten Schienen sind riemengetriebene Aktuatoren hier kostengünstiger und flexibler als Alternativen.

Eine weitere Option für die siebte Achse ist eine kugelumlaufspindelgetriebene Achse. Diese Konstruktion beseitigt Vibrationen und Federeffekte, die bei Riemenantrieben auftreten können. Im Wesentlichen sorgt ein festes mechanisches Element für die präzise Steuerung und Positionierung.

Kugelgewindetriebe funktionieren im Allgemeinen gut in Ausführungen bis zu einer Länge von etwa sechs Metern, wenn sie durch intermittierende Lager gestützt werden. Bei längeren Achsen besteht das Hauptproblem darin, dass die Gewindespindeln bei hohen Drehzahlen schwingen, insbesondere wenn sie nicht ausreichend gestützt werden. Dies liegt daran, dass sich die Spindelwellen unter ihrem Eigengewicht durchbiegen. Bei einer kritischen Drehzahl (die vom Spindelwellendurchmesser, der Geradheit, der Ausrichtung und der ungestützten Länge abhängt) regt die Bewegung die Eigenfrequenz der Welle an. Daher sinkt die maximale Drehzahl mit zunehmender Länge des Kugelgewindetriebs.

Manche Konstruktionen verwenden Lagerblöcke, die sich trennen und zusammenklappen lassen – und dann die Spindel für einen längeren, schwingungsfreien Auszug stabilisieren. Bei besonders langen, kugelgewindetriebgetriebenen Schienen müssen Hersteller jedoch mehrere Spindeln verbinden (üblicherweise kleben statt schweißen, um Verformungen zu vermeiden). Andernfalls muss die Spindel einen besonders großen Durchmesser aufweisen, um das Schwingungsproblem zu lösen. Hübe einiger solcher kugelgewindetriebbasierter Konstruktionen erreichen bis zu 10 Meter und Drehzahlen von bis zu 4.000 U/min. Ein weiterer wichtiger Punkt: Spindeln in Roboterschienen müssen vor Schmutz und Ablagerungen geschützt werden. Wo sie jedoch eingesetzt werden, bewältigen Roboterantriebe mit Elektromotoren und Kugelgewindetrieben höhere Lasten als riemengetriebene Achsen.

Es gibt auch pneumatische Lösungen für Langhub-Positionierungen. Solche pneumatischen RTUs sind in der Regel eine kostengünstige Lösung für Anwendungen, die lediglich eine Hin- und Herbewegung mit zwei Stopps erfordern. Üblicherweise erreichen sie eine Geschwindigkeit von 2 m/s und lassen sich in bestehende Robotersteuerungen integrieren.

Linearmotoren für Präzisions-RTUs
Langhub-RTUs (z. B. für Laborrobotik) können Linearmotorantriebe nutzen. Die meisten dieser RTUs verfügen zudem über modernste Elektronik, Absolutwertgeber und Bewegungssteuerung zur Achsenverfolgung, selbst nach Fehlern oder Abschaltungen.

Die typische Reichweite eines Linearmotors liegt bei etwa vier Metern. Diese Reichweite eignet sich besser für Pick-and-Place-Anwendungen und die Handhabung von Halbleiterwafern als für anspruchsvollere RTU-Anwendungen. Kurz gesagt: Linearmotoren in RTUs stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie zwar die erforderliche mechanische Genauigkeit gewährleisten, aber gleichzeitig schwere Lasten tragen müssen. Dies erfordert den Einsatz teurer Permanentmagnete, die für die hohe Leistungsfähigkeit von Linearmotoren verantwortlich sind.

Es gibt Ausnahmen. Eine Weltrekord-RTU mit Tandem-Linearantrieben wurde speziell für eine Automatisierungsanlage entwickelt und gefertigt, die präzise Bewegungen bis zu 12 m erforderte. Starre Aluminium-Tragschienen arbeiten mit zwei sechsreihigen Linear-Kugelumlauflagern und Führungsbahnen zusammen. Zwei geschlitzte Synchron-Linearmotoren erzeugen eine Kraft von bis zu 4.200 N.

Zahnstangen- und Ritzelsätze für RTUs
Kommerziell erhältliche RTUs mit Zahnstangenantrieb sind am weitesten verbreitet. Typische Längen erreichen bis zu 15 Meter. Die Steuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert, wodurch ein zusätzlicher Controller entfällt. Viele dieser RTUs erreichen selbst bei Hüben von 30 Metern Genauigkeit, indem sie einen bürstenlosen AC-Servomotor und ein Planetengetriebe mit geschliffenen schrägverzahnten Zahnstangenantrieben kombinieren. Andere Konstruktionen verwenden einen Schlitten, der auf einer einseitig einseitig eingefassten Schiene auf robusten Rollen in einem Block gleitet. Hierbei sind die Schienen üblicherweise rechteckig mit einer in die Innenkante eingearbeiteten Zahnstange. Diese können bei Bedarf mit gebogenen Segmenten verbunden werden.

Einige RTUs (Robotic Transport Units), die den Roboter auf der Fahrplattform bewegen, verwenden ebene Schienen aus gehärtetem Stahl in Kombination mit Kurvenrollen. Andere nutzen einen Elektromotor mit Kegelradgetriebe und Riemenantrieb für die Plattform. An der langen Shuttle-Achse treibt ein elektrischer Getriebemotor ein Ritzel an, das in eine Zahnstange eingreift.

Simulation und Programmierung RTUs
Es gibt Werkzeuge, mit denen Ingenieure die Bewegungsabläufe von RTUs planen und diese mit den Roboterfunktionen koordinieren können. Robotersimulationssoftware und sogar einige Bewegungssteuerungsmodule ermöglichen es Ingenieuren, Bahnen zu planen, die resultierende Software auf einen Controller zu laden und anschließend Roboter und RTU mit dieser einen Hardwarekomponente zu steuern.

Eine weitere Möglichkeit bieten Software spezialisierter Softwareunternehmen, die Roboterentwicklungskits (RDCs) anbieten. Diese ermöglichen die Programmierung nahezu aller Robotermarken über APIs. Dank dieser und zahlreicher weiterer Softwaretools ist die Robotereinrichtung so einfach wie nie zuvor, insbesondere für Teams mit Erfahrung in Bewegungssteuerung oder CNC-Bearbeitung. Erste Designiterationen erfolgen üblicherweise offline per PC-Programmierung. Nach der Installation von Roboter und RTU generiert die Programmiersoftware Code, der auf die Steuerung geladen wird. Die Software steuert RTU und Roboter auf programmierten Pfaden, um Fehler zu identifizieren. Anschließend positioniert der Installateur mithilfe eines Handbediengeräts den Greifer, Schneidkopf oder Endeffektor des Roboters an den jeweiligen Stellen im Raum, während die Steuerung die Bewegungen aufzeichnet. Alternativ kann die gesamte Einrichtung über ein Handbediengerät erfolgen, und die Trajektorien werden anschließend im Backend optimiert – ein immer häufiger angewandtes Verfahren.

Vorsichtsmaßnahme: RTUs erschweren die Roboterkalibrierung
Nach der physischen Einrichtung müssen RTUs und Roboter kalibriert werden. Das Problem besteht darin, dass Industrieroboter in Kombination mit RTUs zwar oft wiederholbare, aber nicht präzise Bewegungen ausführen, sodass die resultierende Bewegung von den Simulationsergebnissen abweicht. Industrieroboter erreichen im Durchschnitt eine unidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm bis 0,01 mm. Typische Achsen bestehen aus einem spielfreien Getriebe und einem Motor, die von einer Steuerung mit hochauflösenden Encodern erfasst werden. Eine weitere Steigerung der Bewegungsgenauigkeit ist kostspielig, da Baugruppen und Komponenten wie Getriebe Spielverluste verursachen (hauptsächlich aufgrund von mechanischer Nachgiebigkeit). Daher müssen Steuerungen in manchen Fällen Positionsfehler im Millimeterbereich kompensieren.

Die herkömmliche Roboterkalibrierung erfordert eine kostspielige Laserausrichtung. Dadurch lässt sich der Ausgabefehler mitunter um das Zwanzigfache reduzieren. Alternativ bieten Roboterhersteller eine Werkskalibrierung an. Spezialisierte Unternehmen für Roboterkalibrierung bieten zudem Dienstleistungen an, die den Einfluss einer zusätzlichen RTU auf die Gesamtgenauigkeit des Roboters berücksichtigen. Alternativ ermöglichen Dual-Kamera-Sensoren die Abtastprüfung und dynamische Messung mittels Optik und spezieller Beleuchtung. Mechanische Kalibrierungsverfahren stellen eine weitere Option dar, sind jedoch bei Robotern mit langen Fahrspuren schwieriger anzuwenden.