3 Schritte zur Konstruktion Ihres linearen Positioniersystems

Kartesische Roboter arbeiten in zwei oder drei Achsen entlang des kartesischen Koordinatensystems X, Y und Z. Obwohl SCARA- und 6-Achs-Roboter bekannter sind, finden sich kartesische Systeme in nahezu allen denkbaren Industrieanwendungen, von der Halbleiterfertigung bis hin zu Holzbearbeitungsmaschinen. Der weite Verbreitungsweg kartesischer Roboter ist nicht verwunderlich: Sie sind in scheinbar unbegrenzten Konfigurationen verfügbar und lassen sich leicht an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen.

Während kartesische Roboter traditionell von Systemintegratoren und Endanwendern selbst entwickelt und gebaut wurden, bieten die meisten Hersteller von Linearantrieben mittlerweile vorkonfigurierte kartesische Roboter an. Diese reduzieren den Entwicklungs-, Montage- und Inbetriebnahmeaufwand im Vergleich zum Eigenbau erheblich. Bei der Auswahl eines vorkonfigurierten kartesischen Roboters sollten Sie die folgenden drei Punkte beachten, um das optimale System für Ihre Anwendung zu finden.

【Orientierung】

Die Ausrichtung wird häufig durch die Anwendung vorgegeben. Ein Schlüsselfaktor ist dabei, ob die Teile von oben oder unten gehandhabt oder der Prozess von oben oder unten ablaufen soll. Es ist außerdem entscheidend, dass das System keine anderen stationären oder beweglichen Teile behindert und keine Sicherheitsrisiken birgt. Glücklicherweise sind kartesische Roboter in vielen verschiedenen XY- und XYZ-Konfigurationen erhältlich, um den jeweiligen Anwendungs- und Platzanforderungen gerecht zu werden. Innerhalb der Standardausrichtungen für Mehrachsen besteht zudem die Möglichkeit, die Aktuatoren aufrecht oder liegend zu montieren. Diese Konstruktionswahl wird in der Regel unter Berücksichtigung der Steifigkeit getroffen, da einige Aktuatoren (insbesondere solche mit doppelten Führungsschienen) in liegender Position eine höhere Steifigkeit aufweisen.

Für die äußerste Achse (Y in einer XY-Konfiguration bzw. Z in einer XYZ-Konfiguration) hat der Konstrukteur die Wahl, ob die Basis fixiert und der Schlitten beweglich ist oder umgekehrt. Der Hauptgrund für die Fixierung des Schlittens und die Beweglichkeit der Basis ist die Vermeidung von Kollisionen. Wenn der Aktor in einen Arbeitsbereich hineinragt und aus dem Weg geräumt werden muss, während andere Systeme oder Prozesse durchlaufen, ermöglicht die Bewegung der Basis das Einfahren eines wesentlichen Teils des Aktors und damit die Freigabe des benötigten Platzes. Dies erhöht jedoch die bewegte Masse und Trägheit, was bei der Dimensionierung von Getrieben und Motoren berücksichtigt werden muss. Auch das Kabelmanagement muss so ausgelegt sein, dass es sich mit der Achse bewegen kann, da sich der Motor bewegt. Vorkonfektionierte Systeme berücksichtigen diese Aspekte und gewährleisten, dass alle Komponenten für die exakte Ausrichtung und das Layout des kartesischen Koordinatensystems korrekt ausgelegt und dimensioniert sind.

【Last, Hub und Geschwindigkeit】

Diese drei Anwendungsparameter bilden die Grundlage für die Auswahl der meisten kartesischen Roboter. Eine Anwendung erfordert, dass eine bestimmte Last innerhalb einer vorgegebenen Zeit über eine bestimmte Strecke bewegt wird. Die Parameter sind jedoch voneinander abhängig: Mit zunehmender Last sinkt die maximale Geschwindigkeit. Der Hub wird durch die Last begrenzt, wenn der äußerste Aktor freitragend ist, oder durch die Drehzahl, wenn der Aktor kugelgewindegetrieben ist. Dies macht die Dimensionierung eines kartesischen Systems zu einer sehr komplexen Angelegenheit.

Um die Konstruktion und Dimensionierung zu vereinfachen, stellen Hersteller von kartesischen Robotern üblicherweise Tabellen oder Diagramme mit den maximalen Lasten und Geschwindigkeiten für bestimmte Hublängen und -richtungen bereit. Einige Hersteller geben jedoch maximale Lasten, Hublängen und Geschwindigkeiten an, die voneinander unabhängig sind. Es ist wichtig zu verstehen, ob sich die veröffentlichten Spezifikationen gegenseitig ausschließen oder ob die maximalen Lasten, Geschwindigkeiten und Hublängen gleichzeitig erreicht werden können.

【Präzision und Genauigkeit】

Linearantriebe bilden die Grundlage für Präzision und Genauigkeit eines kartesischen Roboters. Die Art des Antriebes – ob er ein Aluminium- oder Stahlgehäuse besitzt und ob der Antrieb per Riemen, Spindel, Linearmotor oder pneumatisch erfolgt – ist maßgeblich für Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Aber auch die Montage und Befestigung der Antriebe beeinflusst die Verfahrgenauigkeit des Roboters. Ein kartesischer Roboter, der während der Montage präzisionsausgerichtet und fixiert wird, weist in der Regel eine höhere Verfahrgenauigkeit auf als ein nicht fixiertes System und kann diese Genauigkeit über seine gesamte Lebensdauer besser beibehalten.

In jedem Mehrachsensystem sind die Verbindungen zwischen den Achsen nicht vollkommen starr, und zahlreiche Variablen beeinflussen das Verhalten jeder Achse. Dies erschwert die mathematische Berechnung und Modellierung der Verfahrgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Um sicherzustellen, dass ein kartesisches System die geforderte Verfahrgenauigkeit und Wiederholbarkeit erfüllt, empfiehlt es sich, Systeme zu wählen, die vom Hersteller unter ähnlichen Lasten, Hüben und Geschwindigkeiten getestet wurden. Die meisten Hersteller kartesischer Roboter sind sich dieses wichtigen Anliegens bewusst und haben ihre Systeme getestet, um praxisnahe Leistungsdaten für verschiedene Anwendungen bereitzustellen.

Vorkonfigurierte kartesische Roboter bieten erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber Robotern, die intern entwickelt und montiert werden. Die Dimensionierung, Auswahl, Bestellung, Montage, Inbetriebnahme und Fehlersuche eines Mehrachsensystems kann Hunderte von Stunden in Anspruch nehmen. Vorkonfigurierte Systeme reduzieren diesen Zeitaufwand auf wenige Stunden für Auswahl und Inbetriebnahme. Dank der vielfältigen Konfigurationen, Führungstypen und Antriebstechnologien im Standardangebot der Hersteller müssen Konstrukteure und Ingenieure keine Kompromisse bei der Leistung eingehen oder für mehr Funktionen bezahlen, als die Anwendung erfordert.