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  • Roboter-Transport-Schienen-System

    Roboterpositionierungssysteme sind lange Strecken in Lagerhäusern, Luft- und Raumfahrt- und Automobilanlagen, auf denen ein Roboter mehrere Aufgaben ausführen kann. Diese Bewegungskonstruktionen, die auch als Roboter-Transfereinheiten oder RTUs oder 7-Achsen-Systeme bezeichnet werden, werden immer häufiger für die Montage, das Schweißen in großem Maßstab und die Lagerhaltung eingesetzt.

    Im Gegensatz zu typischen Aufbauten, bei denen ein Roboter auf dem Boden festgeschraubt wird, bewegen RTUs Roboter durch Arbeitszellen und Fabriken und pendeln sie zwischen Stationen hin und her. Die besten Setups für RTUs sind solche, die gerade gebaut werden, oder solche, bei denen Prozesse und zugehörige Maschinen in einer geraden Reihe angeordnet werden können. Wenn RTUs sechsachsige Roboter bewegen, werden die linearen Spuren 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 Rahmen, an denen der Roboter hängt, handelt es sich um Portale.

    Unabhängig von der Roboter- oder Kettenmorphologie besteht der Sinn der zusätzlichen Achse darin, eine Translationsbewegung hinzuzufügen. Das erweitert entweder den Arbeitsraum oder lässt einen Roboter Werkstücke oder Werkzeuge transportieren. In einigen Anordnungen lässt ersteres einen Roboter mehrere Maschinen bedienen oder Paletten aus Reihen entnehmen oder sehr große Komponenten bearbeiten. Übliche Anwendungen für letztere sind das Verpacken, Schweißen, Plasmaschneiden und andere mechanische Aufgaben.

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

    Konstruktions- und Antriebsoptionen für RTUs gibt es in Hülle und Fülle
    Obwohl einige Portale einen Rahmen beinhalten, um Roboter umzudrehen und sie für einen besseren Zugang von oben in die Maschinen aufzuhängen, sind RTUs, die am Boden verschraubt werden und den Roboter aufrecht ausrichten, am gebräuchlichsten. Diese RTUs haben im Durchschnitt höhere Nutzlasten, tragen Roboterarme und greifen Lasten mit einem Gewicht von Tausenden von Pfund.

    Ingenieure können vorgefertigte RTUs kaufen oder RTUs intern bauen, indem sie ihr Know-how im Bereich Bewegungssysteme nutzen. Die einfachsten sind Linearschienenpaare, die Plattformen tragen, auf denen der Roboter verschraubt wird. Viele OEMs beauftragen jedoch dedizierte Integratoren für Situationen, in denen Roboter auf RTUs hochpräzise Aufgaben ausführen – beispielsweise eine Schneidaufgabe (bei der das Design die Gelenke mehrerer Achsen synchronisieren muss) oder das Bewegen von Gussteilen durch verschiedene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung.

    Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Robotertransfereinheiten besteht darin, sie so zu programmieren, dass sie mit der Artikulation der Roboterarme, die sie tragen, synchronisiert sind. Die zweitgrößte Herausforderung besteht darin, RTUs dazu zu bringen, eine genaue lineare Bewegung über viele Meter aufrechtzuerhalten.

    Physische Anforderungen für lange Hübe erfüllen
    Manchmal ist Geschwindigkeit das vorrangige RTU-Designziel. Das gilt insbesondere, wenn RTUs Roboter in speziellen Setups über mehrere hundert Fuß oder sogar mehr bringen. Hohe Geschwindigkeit im Zusammenhang mit sich bewegenden Robotern – manchmal Arme, die Tausende von Pfund wiegen, plus ihre Nutzlast – ist relativ. Einige RTUs können sich jedoch mit einer Beschleunigung von bis zu einem g mit mehr als 10 ft/sec bewegen.

    Aber häufig ist Genauigkeit das vorrangige RTU-Designziel. Stellen Sie sich beispielsweise eine Anwendung vor, bei der ein Roboter einer kooperativen Arbeitszelle bei der Bearbeitung hilft. Hier sind Schnelligkeit und die Erweiterung des Roboterarbeitsbereichs nur dann sinnvoll, wenn das umgebende Gerüst die Genauigkeit festhalten kann. Solche Konstruktionen erfordern oft eine Genauigkeit von 0,02 mm und eine Positionierwiederholbarkeit von etwa 0,2 mm während der Schienenbewegungen.

    Wenn eine Anwendung hingegen einen Roboterarm für Anwendungen verwendet, die adaptive Steuerungen auf Herz und Nieren prüfen, aber weniger auf absolute Präzision angewiesen sind, können andere Setups funktionieren. Das kann sogar ein mobiles Fahrzeug sein, das mit einem Roboterarm ausgestattet ist – zum Beispiel zum Entladen von Schiffscontainern.

    Unabhängig vom Design sind geringe Wartung und lange Lebensdauer für alle RTU-Setups von entscheidender Bedeutung, da sie normalerweise mit mehr als einer Anlagenfunktion und mehreren anderen Maschinenteilen verbunden sind. Daher führt eine RTU-Ausfallzeit oft dazu, dass andere Stationen außer Betrieb sind.

    Integrierte Sicherheit ist auch deshalb wichtig, weil viele RTUs Roboter durch Felder bewegen, in denen teure Geräte wie Werkzeugmaschinen oder sogar Arbeiter stehen – insbesondere dort, wo sie in Zonen mit Montagepersonal arbeiten.

    Riemen, Schrauben und Pneumatik für RTUs
    Roboterportale, die mittlere lineare Entfernungen zurücklegen, verwenden häufig Motoren in Kombination mit Riemenantrieben. Dies sind relativ einfache Systeme, die von Elektromotoren angetriebene Riemenscheiben verwenden, um Spannung entlang eines Riemens zu erzeugen und schnell zu beschleunigen. Wenn sie jedoch längere Hübe erreichen, können Probleme mit durchhängenden Riemen auftreten, wenn das System die Spannung nicht über die gesamte Länge aufrechterhalten kann. Um es klar zu sagen, das Problem ist nicht die Nutzlastbegrenzung. Vielmehr besteht die Gefahr eines Bewegungsverlustes aufgrund der Riemennachgiebigkeit.

    Es gibt Ausnahmen vom Skalierbarkeitsvorbehalt. In einigen RTUs treiben Riemenachsen (angetrieben von einer gemeinsamen Antriebswelle) harmonische Kurbeln an. Hier können Riemenantriebe unter den richtigen Bedingungen die Genauigkeit für langhubige Roboterpositionierung aufrechterhalten. Die meisten erfolgreichen riemengetriebenen RTUs verwenden Rahmen und lineare Spuren in komplementären Ausrichtungen, um mehr Präzision aus dem riemengetriebenen Aufbau zu erzielen. Einige dieser RTUs mit riemengetriebenen Schienenantrieben können eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,001 Zoll halten, selbst wenn Ein-Tonnen-Roboter über Dutzende von Fuß bewegt werden. Hier (dank der richtigen Schienen) sorgen riemengetriebene Aktuatoren für RTUs, die billiger und flexibler sind als Alternativen.

    Eine weitere Option für die siebte Achse ist eine kugelumlaufspindelgetriebene Achse. Dieser Aufbau befasst sich mit Vibrationen und Federn, die in Riemenantrieben auftreten können. Im Wesentlichen behält ein festes mechanisches Element die Kontrolle für präzises Stoppen und Positionieren bei.

    Kugelumlaufspindeln funktionieren im Allgemeinen gut in Aufbauten bis zu einer Länge von etwa sechs Metern mit Hilfe von intermittierenden Lagerstützen. Bei längeren Achsen besteht das Hauptproblem darin, dass Schrauben bei hohen Drehzahlen peitschen, besonders wenn sie nicht genug Unterstützung bekommen. Das liegt daran, dass sich Kugelumlaufspindeln unter ihrem eigenen Gewicht verbiegen. Dann erregt die Bewegung bei kritischer Geschwindigkeit (eine Funktion des Schraubenwellendurchmessers, der Geradheit, der Ausrichtung und der nicht unterstützten Länge) die Eigenfrequenz der Welle. Die maximale Drehzahl sinkt also mit zunehmender Länge der Kugelumlaufspindel.

    Einige Setups verwenden Lagerblöcke, die sich trennen und zusammenklappen – und dann bleiben und die Schraube für eine längere peitschenfreie Verlängerung halten. Bei extralangen Kugelumlaufspindeln müssen die Hersteller jedoch mehrere Schrauben verbinden (normalerweise mit Klebstoff statt Schweißen, um eine verzogene Geometrie zu vermeiden). Andernfalls muss die Schraube einen extra großen Durchmesser haben, um das Peitschenproblem zu lösen. Schläge von einigen solchen auf Kugelumlaufspindeln basierenden Setups erreichen 10 Meter und laufen bis zu 4.000 U / min. Ein weiterer Vorbehalt: Schrauben in Roboterschienen müssen vor Schmutz und Ablagerungen geschützt werden. Wo sie jedoch funktionieren, handhaben RTUs mit Elektromotoren gepaart mit Kugelumlaufspindeln größere Lasten als riemengetriebene Achsen.

    Es gibt auch Fluidkraft für Langhub-Setups. Solche pneumatischen RTUs sind normalerweise 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 enthalten auch hochmoderne Elektronik, absolute Encoder und Bewegungssteuerung für die Verfolgung von Achsen, selbst nach Fehlern oder Abschaltungen.

    Typisch für die Reichweite eines Linearmotors sind etwa vier Meter. Eine solche Reichweite eignet sich besser für Pick-and-Place- und Halbleiterwafer-Handhabung als schwerere RTU-Anwendungen. Kurz gesagt, Linearmotoren in RTUs sind eine besondere Herausforderung, da sie die mechanische Genauigkeit liefern, aber schwere Nutzlasten tragen müssen. Dies erfordert mehr der teuren Permanentmagnete, die Linearmotoren so leistungsstark machen.

    Es gibt Ausnahmen. Eine Weltrekord-RTU mit Tandem-Linearaktuatoren wurde in Auftrag gegeben und speziell für eine Automatisierungseinrichtung gebaut, die Präzisionsbewegungen bis zu 12 m erfordert. Starre Tragschienen aus Aluminium arbeiten mit zwei sechsreihigen Kugelumlauflagern und Führungsschienen. Zwei geschlitzte Synchron-Linearmotoren mit einer Ausgangskraft von bis zu 4.200 N.

    Zahnstangensätze für RTUs
    Handelsübliche RTUs mit Zahnstangensätzen sind am gebräuchlichsten. Typische Längen erreichen 15 Meter. Die Steuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert, wodurch eine zusätzliche Steuerung entfällt. Viele dieser RTUs behalten die Genauigkeit selbst bei Hüben von 30 Metern bei, indem sie einen bürstenlosen Wechselstrom-Servomotor und ein Planetengetriebe mit geschliffenen schrägverzahnten Zahnstangensätzen kombinieren. Andere Aufbauten verwenden einen Schlitten, der sich auf Schwerlastrollen in einem Block über eine einseitige Schiene bewegt. Hier sind die Schienen normalerweise rechteckig mit einer in eine Innenkante geschnittenen Zahnstange. Diese können mit gekrümmten Segmenten verbunden werden, wo dies ein hilfreiches Layout ist.

    Einige RTUs, die den Roboter über die Fahrplattform bewegen, verwenden Schienen mit ebener Oberfläche aus gehärtetem Stahl und paaren diese mit Nockenfolger-Clustern. Andere verwenden einen Elektromotor mit einem Untersetzungsgetriebe mit Schrägverzahnung und einem Riemen, um die Plattform anzutreiben. Auf der langen Shuttle-Achse verfügt die RTU dann 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 Wege von RTUs planen und diese 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 den Roboter und die RTU mit diesem einen Stück Hardware zu steuern.

    Eine weitere Option ist Software von spezialisierten Softwareunternehmen, die Roboter-Entwicklungskits verkaufen, die die Programmierung fast aller Robotermarken über APIs ermöglichen. Diese und unzählige andere Softwaretools machen die Robotereinrichtung einfacher als je zuvor, insbesondere für Teams mit mäßiger Bewegungssteuerungs- oder CNC-Erfahrung. Anfängliche Designiterationen erfolgen normalerweise durch Offline-PC-Programmierung. Wenn das Personal dann den Roboter und die RTU installiert, erzeugt die Programmiersoftware Code, der auf die Steuerungen geladen wird. Die Software steuert die RTU und den Roboter durch programmierte Pfade, um auf Probleme zu testen. Als nächstes verwendet der Installateur ein Handgerät, um den Greifer, die Schneidevorrichtung oder den Endeffektor des Roboters an auftragsspezifischen Punkten im Raum zu positionieren, während die Steuerung die Bewegungen aufzeichnet. Andernfalls können Installateure ein Pendant für das gesamte Setup verwenden und dann die Trajektorien im Backend optimieren – ein immer häufigerer Ansatz.

    Achtung: RTUs erschweren die Roboterkalibrierung
    Nach der physischen Einrichtung müssen RTUs und Roboter kalibriert werden. Der Haken an der Sache ist, dass Industrieroboter in Kombination mit RTUs oft wiederholbare, aber nicht genaue Bewegungen ausführen, sodass sich Ausgangsbewegungen ergeben, die sich von Simulationsannäherungen unterscheiden. Allein Industrieroboter haben eine durchschnittliche unidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm bis 0,01 mm. Typische Achsen paaren ein spielfreies Getriebe und einen Motor, und eine Steuerung verfolgt sie alle mit hochauflösenden Encodern. Eine weitere Steigerung der Ausgangsbewegungsgenauigkeit wird teuer, da Baugruppen und Komponenten wie Getriebe zu Bewegungsverlust führen (hauptsächlich aufgrund mechanischer Nachgiebigkeit). Daher müssen Steuerungen in einigen Fällen häufig Positionsfehler im Millimeterbereich kompensieren.

    Die herkömmliche Roboterkalibrierung verwendet eine kostspielige Laserausrichtung. Manchmal kann dies den Ausgabefehler um das Zwanzigfache verringern. Ansonsten bieten Roboterhersteller eine Werkskalibrierung an. Spezielle Unternehmen für die Roboterkalibrierung bieten auch Dienstleistungen an, die die Auswirkungen einer zusätzlichen RTU auf die Gesamtleistung der Roboterpräzision berücksichtigen können. Ansonsten ermöglichen Dual-Kamera-Sensoren eine tastende Inspektion und eine dynamische Messung über Optiken und spezielle Beleuchtung. Mechanische Kalibrierungsmodi sind eine weitere Option, obwohl sie bei Robotern auf langen Strecken schwieriger anzuwenden sind.


    Postzeit: 10. Januar 2022
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