Die kartesische Koordinatengeometrie ist eine hervorragende Methode, um den dreidimensionalen Raum in einem einfachen, leicht verständlichen Zahlensystem abzubilden. Im kartesischen System für den dreidimensionalen Raum gibt es drei zueinander senkrechte (orthogonale) Koordinatenachsen, die sich im Ursprung schneiden.

Die drei Achsen werden allgemein als x-Achse, y-Achse und z-Achse bezeichnet. Jeder Punkt im dreidimensionalen Raum wird durch drei Zahlen (x, y, z) dargestellt. x bezeichnet den Abstand des Punktes vom Ursprung entlang der x-Achse, y den Abstand entlang der y-Achse und z den Abstand entlang der z-Achse.

Kartesische (Portal-)Roboter

Mechatronische Roboter, die sich mithilfe linearer Achsen bewegen, werden als kartesische Roboter, Linearroboter oder Portalroboter bezeichnet. Portalroboter ähneln Portalkränen und funktionieren auch ähnlich. Sie sind jedoch nicht auf Hebe- und Bewegungsfunktionen beschränkt, sondern können je nach Bedarf mit kundenspezifischen Funktionen ausgestattet werden.

Kartesische Roboter verfügen über eine übergeordnete Struktur, die die Bewegung in der horizontalen Ebene steuert, und einen Roboterarm, der die vertikale Bewegung ausführt. Sie können so konstruiert sein, dass sie sich entlang der xy- oder xyz-Achse bewegen. Der Roboterarm ist auf dem Gerüst montiert und kann in der horizontalen Ebene bewegt werden. Je nach Anwendungsfall ist am Ende des Roboterarms ein Effektor oder ein Werkzeug angebracht.

Obwohl die Begriffe kartesische Roboter und Portalroboter synonym verwendet werden, verfügen Portalroboter im Allgemeinen über zwei x-Achsen, während kartesische Roboter je nach Konfiguration nur jeweils eine der zwei oder drei Achsen besitzen.

 

Wie funktionieren sie?

Kartesische Roboter bewegen sich ausschließlich linear, in der Regel mithilfe von Servomotoren. Die verwendeten Linearantriebe können je nach Anwendung unterschiedlich ausgeführt sein. Das Antriebssystem kann riemen-, seil-, spindel-, pneumatisch, zahnstangen- oder linearmotorgetrieben sein. Einige Hersteller bieten komplett vorkonfigurierte kartesische Roboter an, die ohne Modifikationen eingesetzt werden können. Andere Hersteller bieten verschiedene Komponenten als Module an, sodass der Anwender diese je nach Anwendungsfall kombinieren kann.

Die Roboterarme selbst können mit Bildverarbeitungssystemen ausgestattet sein oder im Betrieb „blind“ arbeiten. Sie können mit Lichtsensoren oder Kameras versehen werden, um Objekte vor der Ausführung einer Aktion zu identifizieren. Beispielsweise können kartesische Roboter in Laboren zum Aufnehmen und Transportieren von Proben eingesetzt werden. Mithilfe computergestützter Bildverarbeitung lassen sich Reagenzgläser, Pipetten oder Objektträger erkennen, und der Arm kann das Objekt anhand der von der Kamera übermittelten Positionsdaten greifen.

Der Vorteil kartesischer Roboter gegenüber anderen Robotersystemen, wie beispielsweise Sechs-Achs-Robotern, liegt in ihrer einfachen Programmierbarkeit. Ein einziger Bewegungscontroller kann die Bewegungslogik eines kartesischen Roboters steuern. Da die Roboter ausschließlich lineare Bewegungen ausführen, ist die Steuerung besonders einfach. Für die Bewegungssteuerung kartesischer Roboter ist keine komplexe Anordnung von SPSen und Mikrochips erforderlich. Diese Eigenschaft trägt ebenfalls dazu bei, die Programmierung der Roboterbewegung zu vereinfachen.

 

Eigenschaften und Vorteile

Kartesische Roboter weisen im Vergleich zu ihren sechsachsigen Pendants eine höhere Traglastkapazität auf. Dies, kombiniert mit den geringeren Kosten und der einfachen Programmierung linearer Roboter, macht sie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen geeignet. Portalroboter, die im Wesentlichen kartesische Roboter mit einem Stützgerüst darstellen, können sogar noch höhere Nutzlasten transportieren. Der Bewegungsbereich linearer Roboter lässt sich durch das Hinzufügen kompatibler Module erweitern. Diese Modularität macht kartesische Roboter deutlich vielseitiger und sorgt für eine längere Lebensdauer im industriellen Umfeld.

Kartesische Roboter zeichnen sich im Vergleich zu ihren rotierenden Pendants durch eine hohe Genauigkeit und Präzision aus. Dies liegt daran, dass sie ausschließlich lineare Bewegungen ausführen und keine Drehbewegungen berücksichtigen müssen. Kartesische Roboter erreichen Toleranzen im Mikrometerbereich (µm), während Sechs-Achs-Roboter üblicherweise Toleranzen im Millimeterbereich (mm) aufweisen.

 

Anwendungen für kartesische Roboter

Die Vielseitigkeit, die geringeren Kosten und die einfache Programmierung machen kartesische Roboter für viele Anwendungen im industriellen Bereich attraktiv. Schauen wir uns einige davon an.

• Auswählen und platzieren:Der Roboterarm ist mit einem Bildverarbeitungssystem ausgestattet, das verschiedene Komponenten eines Karussells oder Förderbandes erkennt. Der Arm kann diese Objekte aufnehmen und in verschiedene Behälter sortieren. Das Aufnehmen und Sortieren kann von einem einzigen Roboterarm durchgeführt werden.
• Prozess-zu-Prozess-Übertragung:In einer Produktionslinie kommt es vor, dass Produkte von einem Ort zum anderen transportiert werden müssen. Dies kann mithilfe von Linearrobotern mit Doppelantrieb erfolgen. Je nach den übrigen Prozessschritten können diese mit Bildverarbeitungssystemen oder einer Zeitsynchronisation kombiniert werden.
• Montagesystem:Wenn zur Montage der Teile eines Produkts immer wieder dieselben Schritte wiederholt werden müssen, können Linearroboter zur Automatisierung der Aufgaben eingesetzt werden.
• Anwendung von Kleb- und Dichtstoffen:Viele Produktionsprozesse erfordern das Aufbringen von Klebstoffen oder Dichtstoffen zwischen Bauteilen. Dies findet Anwendung in der Automobilindustrie ebenso wie in der Fertigung kleiner Elektronikgeräte. Klebstoffe und Dichtstoffe müssen in sehr präzisen Mengen und an der richtigen Stelle aufgetragen werden. Der Roboterarm eines Linearroboters kann mit einem hochpräzisen Dosiergerät verbunden werden, wodurch Klebstoffe und Dichtstoffe mit hoher Genauigkeit aufgetragen werden können.
• Palettieren und Depalettieren:Beim Verpacken werden Paletten verwendet, um Waren einfach zu transportieren. Kartesische Roboter können sowohl das Platzieren von Produkten auf Paletten als auch das Entnehmen von Paletten automatisieren.
• CNC-Werkzeugmaschinen:Computergesteuerte numerische Steuerungsmaschinen (CNC-Maschinen) werden zur Herstellung von Produkten gemäß Entwürfen aus Konstruktionssoftware eingesetzt. CNC-Maschinen verwenden häufig Linearroboter mit verschiedenen Werkzeugen an den Roboterarmen.
• Präzisionspunktschweißen:In bestimmten Fertigungsprozessen ist spezielles Schweißen erforderlich. Lineare Roboter mit Schweißarmen ermöglichen präzise Schweißungen an exakten Positionen auf der Werkstückoberfläche. Die hohe Toleranz im Mikrometerbereich (µm) ist in solchen Anwendungen von Vorteil.

Es gibt viele weitere industrielle Anwendungen für Linearroboter. Dazu gehören Dosiergeräte, Basismaschinen für Montage- und Prüfgeräte, Einschubeinheiten, Stapelvorrichtungen, Automatisierung von Dichtungsprozessen, Materialhandhabung, Lagerung und Entnahme, Schneiden, Ritzen und Sortieren.