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    Die Entwicklung einer umfassenden Automatisierung für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben für Bewegungsingenieure. Da Robotersysteme immer komplexer werden und die Produktionsraten immer höher werden, müssen Systemdesigner mit den neuesten Technologien Schritt halten oder riskieren, ein nicht optimales Design zu spezifizieren. Sehen wir uns einige der neuesten verfügbaren Technologien und Komponenten an und schauen wir uns genau an, wo sie Verwendung finden.

    Roboterarme eignen sich für kompakte Designs

    Industrieroboterarme sind in der Regel nicht dafür bekannt, leichtfüßig zu sein. Vielmehr weisen die meisten erhebliche Konstruktionen auf, die schwere End-of-Arm-Werkzeuge tragen müssen. Trotz der Vorteile einer robusten Konstruktion sind diese Roboterarme für heikle Anwendungen zu schwer und sperrig. Um wendige Arme für leichte Aufgaben besser geeignet zu machen, haben sich Ingenieure der igus Inc. aus Köln daran gemacht, ein Mehrachsgelenk zu entwickeln, mit dem kleine Lasten um einen Ausleger geschwenkt werden können. Das neue Gelenk eignet sich gut für filigrane Pick-and-Place-Anwendungen, bei denen die Greifkraft nach Bedarf angepasst werden kann.

    Flexibilität und geringes Gewicht sind wichtige Designparameter für das neue Gelenk, das aus Kunststoff und Kabelsteuerungen besteht. Kurz gesagt, Kabel werden von FAULHABER kompakten bürstenlosen DC-Servomotoren aus dem Schultergelenk des Arms bewegt, was Trägheit im Arm verhindert, dynamische Bewegungen ermöglicht und den Design-Footprint minimiert.

    Die Ingenieure basierten einen Großteil ihres Designs auf dem menschlichen Ellenbogengelenk, sodass zwei DOFs – Rotation und Schwenken – zu einem einzigen Gelenk kombiniert werden. Ähnlich wie bei einem menschlichen Arm sind nicht die Knochen (das Körperrohr des Roboterarms) oder die Muskeln (der Antriebsmotor) der schwächste Teil des Roboterarms, sondern die Sehnen, die die Kraft übertragen. Hier werden Hochspannungs-Steuerleitungen aus einem superfesten UHMW-PE-Polyethylen-Material mit einer Zugfestigkeit von 3.000 bis 4.000 N/mm2 hergestellt. Neben klassischen Roboterarmfunktionen wie Pick-and-Place-Anwendungen eignet sich das Gelenk auch gut für spezielle Kamerabeschläge, Sensoren oder andere Werkzeuge, bei denen Leichtbau gefragt ist. Für hohe Präzision ist in jedes Gelenk ein magnetischer Winkelsensor eingebaut.

    Die elektronisch kommutierten Servomotoren zeichnen sich durch eine geringe bewegte Masse aus, die für den dynamischen Einsatz geeignet ist: Die 24 Vdc Betriebsspannung ist auf Batteriebetrieb ausgelegt, entscheidend für den Einsatz in mobilen Anwendungen, während das Motordrehmoment von 97 mNm die durchmesserkonformen Planetengetriebe auf die erforderlichen Werte für Armbedienung. Darüber hinaus haben diese bürstenlosen Antriebe außer der Rotorlagerung keine Verschleißteile, was eine Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden gewährleistet.

    Lineares Bewegungssystem beschleunigt die Laborautomatisierung

    Neben den traditionellen Verpackungs- und Montagevorgängen verbreitet sich Pick-and-Place auch in der Hochgeschwindigkeits-Laborautomatisierung. Stellen Sie sich vor, Sie würden täglich Millionen von Bakterienproben manipulieren und Sie haben eine Vorstellung davon, was von den heutigen Biotech-Labors erwartet wird. In einem Setup ermöglicht ein fortschrittliches Linearbewegungssystem einem biotechnologischen Laborroboter namens RoToR, Zellarrays mit rekordverdächtigen Geschwindigkeiten von mehr als 200.000 Proben pro Stunde zu fixieren. RoToR stammt von Singer Instruments, Somerset, Großbritannien, und wird als Benchtop-Automatisierungssystem für die Gen-, Genom- und Krebsforschung verwendet. Einer dieser Roboter bedient oft mehrere verschiedene Labore, wobei die Wissenschaftler kurze Zeitfenster für die Replikation, Paarung, Neuanordnung und Sicherung von Bakterien- und Hefebibliotheken reservieren.

    Ein Echtzeit-Controller handhabt die drei Bewegungsachsen, die die Punkt-zu-Punkt-Pinning-Bewegungen des Roboters koordinieren, sowie eine Probenhandhabungsachse und Schnittstellen mit der GUI des Roboters. Darüber hinaus verwaltet der Controller auch alle I/O-Kanäle.

    Neben der Steuerung lieferte Baldor auch einen linearen Servomotor und Antrieb sowie drei integrierte Schrittmotor- und Antriebsmodule. Der Roboter führt Punkt-zu-Punkt-Übergaben von Quell- zu Zielplatten entlang einer linearen Servomotorachse durch, die entlang der Maschinenbreite verläuft. Diese Achse unterstützt einen zweiachsigen Schrittmotorkopf, der die Pinning-Aktion steuert. Tatsächlich kann die kombinierte XYZ-Bewegung sogar Proben mit einer komplexen helikalen Bewegung rühren. Die separate Schrittmotorachse steuert den Lademechanismus der Stecknadelköpfe. Pneumatische Greifer und Rotatoren steuern andere Maschinenbewegungen, wie zum Beispiel das Aufnehmen und Entsorgen von Stecknadelköpfen zu Beginn und am Ende des Arbeitsgangs.

    Singer beabsichtigte ursprünglich, einen pneumatischen Antrieb für die Hauptquerachse zu verwenden, aber dieses Design konnte nicht die gewünschte Positionierungsauflösung oder -geschwindigkeit liefern und war für eine Laborumgebung zu laut. Damals begannen die Ingenieure, über Linearmotoren nachzudenken. Baldor hat einen maßgeschneiderten bürstenlosen Linearservomotor mit mechanischen Modifikationen an der Linearschiene entwickelt, der es ermöglicht, ihn nur an seinen Enden und nicht entlang seiner Länge abzustützen – so fungiert der Motor des Motors als X-Achsen-Portal, das die Y- und Z-Achsen trägt. Schließlich minimiert das Magnetdesign des Linearmotors das Rasten, um eine reibungslose Bewegung zu ermöglichen.


    Postzeit: 09.08.2021
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