Robottien paikannusjärjestelmät ovat pitkiä ratoja varastoissa, ilmailu- ja autoteollisuudessa, joiden avulla yksi robotti voi suorittaa useita tehtäviä. Näitä liikerakenteita kutsutaan myös robottien siirtoyksiköiksi, RTU:iksi tai 7. akselijärjestelmiksi, ja ne ovat yhä yleisempiä kokoonpanossa, laajamittaisessa hitsauksessa ja varastoinnissa.

Tyypillisistä kokoonpanoista poiketen, joissa robotti pultataan lattiaan, RTU:t siirtävät robotteja työsolujen ja tehtaiden läpi ja kuljettavat niitä asemien välillä. Parhaat RTU:iden kokoonpanot ovat juuri rakenteilla olevia yksiköitä tai sellaisia, joissa prosessit ja niihin liittyvät koneet voidaan asettaa suoraan riviin. Kun RTU:t siirtävät kuusiakselisia robotteja, lineaarisia kiskoja kutsutaan joskus myös seitsemänneksi akseliksi (tai harvemmin, kun robotilla itsellään on seitsemän vapausastetta, kahdeksanneksi akseliksi). Kun nämä kiskot ovat osa runkoa, mukaan lukien rungot, joista robotti roikkuu, ne ovat gantryja.

Robotin tai radan morfologiasta riippumatta lisäakselin tarkoituksena on lisätä etenemisliikettä. Tämä joko laajentaa työaluetta tai antaa robotin kuljettaa työkappaleita tai työkaluja. Joissakin järjestelyissä työkappaleiden tai työkalujen kuljettaminen onnistuu useiden koneiden käsittelyssä, lavojen poiminnassa riveistä tai erittäin suurten komponenttien koneistamisessa. Jälkimmäisissä yleisiä sovelluksia ovat pakkaus, hitsaus, plasmaleikkaus ja muut mekaaniset tehtävät.

Tässä keskitymme RTU-laitteiden käyttövaihtoehtoihin. Huomaa kuitenkin, että insinöörien on myös päätettävä useiden ohjainten ja laakereiden välillä (yleensä nokkaseurainten tai profiiliohjaimien muodossa).

RTU-laitteiden suunnittelu- ja käyttövaihtoehtoja on runsaasti
Vaikka joissakin nostolaitteissa on runko robottien kääntämiseksi ylösalaisin ja ripustamiseksi, jotta koneisiin pääsee paremmin ylhäältä päin, yleisimpiä ovat lattiaan pultattavat ja robotin pystyasentoon suuntaavat RTU:t. Näillä RTU:illa on keskimäärin suurempi hyötykuorma, sillä ne kannattelevat robotin käsivarsia ja tarttuvat tuhansien puntien painoisiin kuormiin.

Insinöörit voivat ostaa valmiiksi suunniteltuja RTU-yksiköitä tai rakentaa niitä itse hyödyntäen liikejärjestelmäasiantuntemusta. Yksinkertaisimmat ovat lineaarikiskoparit, joissa on alustat, joihin robotti pultataan. Monet laitevalmistajat käyttävät kuitenkin erillisiä integraattoreita tilanteisiin, joissa RTU-yksiköissä olevat robotit suorittavat erittäin tarkkoja töitä – esimerkiksi leikkaustehtäviä (joissa suunnittelun on synkronoitava useiden akselien nivelöinti) tai valukappaleiden siirtämistä eri työstökoneiden läpi prosessointia varten.

Robottien siirtoyksiköiden suunnittelun suurin haaste on niiden ohjelmointi synkronoitumaan niiden kantamien robottikäsivarsien nivelten kanssa. Toiseksi suurin haaste on saada RTU:t ylläpitämään tarkkaa lineaarista liikettä useiden metrien matkalla.

Pitkien vetojen fyysisten vaatimusten täyttäminen
Joskus nopeus on RTU:n suunnittelun ensisijainen tavoite. Tämä pätee erityisesti silloin, kun RTU:t vievät robotteja yli muutaman sadan jalan tai jopa pidemmälle erikoisasennuksissa. Robottien – joskus tuhansia puntia painavien käsivarsien ja niiden hyötykuorman – liikuttamisen yhteydessä suuri nopeus on suhteellista. Jotkut RTU:t voivat kuitenkin liikkua yli 3 metriä sekunnissa ja kiihtyä jopa yhteen grammaan.

Usein tarkkuus on kuitenkin RTU:n suunnittelun ensisijainen tavoite. Tarkastellaan esimerkiksi sovellusta, jossa robotti auttaa yhteistyöhön perustuvaa työsolua koneistuksessa. Tässä nopeus ja robotin työalueen laajuus ovat hyödyllisiä vain, jos ympäröivä runko pystyy pitämään tarkkuuden kurissa. Tällaisissa malleissa tarvitaan usein 0,02 mm:n tarkkuutta ja noin 0,2 mm:n paikannuksen toistettavuutta radan liikkeiden aikana.

Jos taas sovellus käyttää robottikäsivartta sovelluksissa, jotka käyttävät mukautuvia ohjaimia tahdistukseen, mutta ovat vähemmän riippuvaisia ​​absoluuttisesta tarkkuudesta, muutkin kokoonpanot voivat toimia. Tämä voi olla jopa robottikäsivarrella varustettu liikkuva ajoneuvo – esimerkiksi konttien purkamiseen.

Suunnittelusta riippumatta vähäinen huoltotarve ja pitkä käyttöikä ovat ratkaisevan tärkeitä kaikille RTU-järjestelmille, koska ne liittyvät yleensä useampaan kuin yhteen laitoksen toimintoon ja useisiin muihin koneisiin. Siksi RTU:n seisokkiaika usein poistaa käytöstä muita asemia.

Integroitu turvallisuus on myös tärkeää, koska monet RTU:t siirtävät robotiikkaa kalliiden laitteiden, kuten työstökoneiden, tai jopa työntekijöiden täyttämillä alueilla – erityisesti silloin, kun ne toimivat kokoonpanohenkilöstön lähellä.

Vyöt, ruuvit ja pneumatiikka RTU-yksiköille
Keskipitkiä lineaarisia matkoja ylittävät robottiportaalit käyttävät usein moottoreita ja hihnakäyttöjä. Nämä ovat suhteellisen yksinkertaisia ​​järjestelmiä, joissa sähkömoottorikäyttöiset hihnapyörät luovat hihnalle jännitystä ja kiihdyttävät sitä nopeasti. Pidempien iskunpituuksien saavuttaessa hihnat voivat kuitenkin roikkua, jos järjestelmä ei pysty ylläpitämään kireyttä koko pituudelta. Ongelma ei ole hyötykuorman rajoittaminen, vaan pikemminkin hihnan joustavuuden aiheuttama liikkeen menetysriski.

Skaalautuvuusrajoitukseen on poikkeuksia. Joissakin RTU-yksiköissä hihnakäyttöiset akselit (joita käyttää yhteinen vetoakseli) käyttävät harmonisia kampia. Näissä hihnakäytöt voivat ylläpitää tarkkuutta pitkän iskun robottien paikannuksessa oikeissa olosuhteissa. Useimmat menestyneet hihnakäyttöiset RTU-yksiköt käyttävät runko- ja lineaarikiskoja toisiaan täydentävissä suunnissa saadakseen enemmän tarkkuutta hihnakäyttöisestä kokoonpanosta. Jotkut tällaiset RTU-yksiköt, joissa on hihnakäyttöiset kiskotoimilaitteet, voivat ylläpitää toistettavuustarkkuuden ± 0,001 tuumaan, jopa silloin, kun yhden tonnin robotteja siirretään kymmenien metrien matkan. Tässä (oikeiden kiskojen ansiosta) hihnakäyttöiset toimilaitteet tekevät RTU-yksiköistä halvempia ja joustavampia kuin vaihtoehdot.

Toinen vaihtoehto seitsemännelle akselille on kuularuuvivetoinen akseli. Tämä järjestely ratkaisee hihnakäytöissä mahdollisesti esiintyvän tärinän ja jousituksen. Pohjimmiltaan kiinteä mekaaninen elementti ylläpitää tarkkaa pysäytystä ja asemointia.

Kuularuuvit toimivat yleensä hyvin noin kuuden metrin pituisissa kokoonpanoissa jaksottaisten laakeritukien avulla. Pidemmillä akseleilla suurin ongelma on, että ruuvit heiluvat suurilla nopeuksilla, varsinkin jos ne eivät saa riittävästi tukea. Tämä johtuu siitä, että kuularuuvien akselit taipuvat oman painonsa alla. Kriittisellä nopeudella (ruuvin akselin halkaisijan, suoruuden, linjauksen ja tukemattoman pituuden funktio) liike herättää akselin ominaistaajuuden. Niinpä maksiminopeus laskee kuularuuvin pituuden kasvaessa.

Joissakin kokoonpanoissa käytetään laakeripukkeja, jotka erottuvat ja painuvat yhteen – ja sitten pysyvät ja tukevat ruuvia pidempään ilman värähtelyä. Erittäin pitkien kuularuuvikäyttöisten kiskojen tapauksessa valmistajien on kuitenkin liitettävä useita ruuveja (yleensä liimalla hitsauksen sijaan vääntyneen geometrian välttämiseksi). Muussa tapauksessa ruuvin halkaisijan on oltava erittäin suuri värähtelyongelman ratkaisemiseksi. Joidenkin tällaisten kuularuuvipohjaisten kokoonpanojen iskunpituus on 10 metriä ja nopeus jopa 4 000 rpm. Toinen varoitus: Robottikiskojen ruuvit on suojattava lialta ja roskilta. Sähkömoottoreita ja kuularuuveja käyttävät RTU:t käsittelevät kuitenkin siellä, missä niitä käytetään, suurempia kuormia kuin hihnakäyttöiset akselit.

Myös pitkän iskunopeuden järjestelmiä varten on olemassa fluidivoimaa hyödyntäviä ratkaisuja. Tällaiset pneumaattiset RTU:t ovat yleensä edullinen ratkaisu sovelluksiin, jotka tarvitsevat vain edestakaista kahden pysähdyksen paikannusta. Keskimääräiset vaihtoehdot liikkuvat 2 m/s ja integroituvat muihin robottiohjauksiin.

Lineaarimoottorit tarkkuus-RTU-yksiköille
Pitkäiskuiset RTU:t (esimerkiksi laboratoriorobotiikan käyttöön) voivat käyttää lineaarimoottoreita. Useimmat tällaiset RTU:t sisältävät myös huippuluokan elektroniikkaa, absoluuttisia enkoodereita ja liikkeenohjausta akseleiden seurantaan, jopa virheiden tai sammumisten jälkeen.

Lineaarimoottorin tyypillinen ulottuvuus on noin neljä metriä. Tällainen ulottuvuus sopii paremmin poiminta-ja-sijoitteluun ja puolijohdekiekkojen käsittelyyn kuin raskaampiin RTU-sovelluksiin. Lyhyesti sanottuna RTU-sovelluksissa käytettävät lineaarimoottorit ovat erityisen haastavia, koska ne tarjoavat mekaanista tarkkuutta, mutta niiden on kannettava raskaita hyötykuormia. Tämä edellyttää lisää kalliita kestomagneetteja, jotka tekevät lineaarimoottoreista niin suorituskykyisiä.

Poikkeuksiakin on. Yksi maailmanennätysmäinen RTU tandem-lineaarikaramoottorilla tilattiin ja rakennettiin mittatilaustyönä automaatiojärjestelmään, joka vaati tarkkoja liikkeitä jopa 12 metrin päähän. Jäykät alumiiniset tukikiskot toimivat kahdella kuusirivisellä lineaarisella kiertokuulalaakerilla ja johdekokoonpanoilla. Kaksoisuratut synkroniset lineaarimoottorit tuottavat jopa 4 200 N:n voiman.

Hammastanko- ja hammaspyöräsarjat RTU-yksiköille
Kaupallisesti saatavilla olevat hammastanko- ja hammaspyörästöjä käyttävät RTU:t ovat yleisimpiä. Tyypilliset pituudet ovat jopa 15 metriä. Lineaariyksikön ohjaus on integroitu matemaattisesti kytkettynä akselina robotin ohjaimeen, mikä poistaa lisäohjaimen tarpeen. Monet tällaiset RTU:t säilyttävät tarkkuuden jopa 30 metrin iskuihin asti yhdistämällä harjattoman vaihtovirtaservomoottorin ja planeettavaihteiston hiottuihin kierrehammastanko- ja hammaspyörästöihin. Muissa kokoonpanoissa käytetään vaunua, joka liikkuu yksireunaisen kiskon yli raskaiden rullien päällä lohkossa. Tässä kiskot ovat yleensä suorakaiteen muotoisia, ja niiden sisäreunaan on leikattu hammastanko. Nämä voidaan yhdistää kaarevilla segmenteillä, jolloin siitä on hyötyä.

Joissakin RTU:issa, jotka liikuttavat robottia liikkuvalla alustalla, käytetään karkaistusta teräksestä valmistettuja tasapintaisia ​​kiskoja, jotka on yhdistetty nokka-akseliryhmiin. Toisissa käytetään sähkömoottoria, jossa on kierteinen viistevaihteisto ja hihna alustan voimanlähteenä. Pitkällä sukkulan akselilla RTU:ssa on sähköinen vaihdemoottori, joka käyttää hammaspyörää, joka on kosketuksissa hammastankoon.

RTU-simulointi ja ohjelmointi
On olemassa työkaluja, joiden avulla insinöörit voivat suunnitella RTU:iden reittejä ja koordinoida niitä robotin toimintojen kanssa. Robotin simulointiohjelmistot ja jopa jotkut liikkeenohjausmoduulit antavat insinöörien suunnitella reittejä, ladata tuloksena olevan ohjelmiston ohjaimeen ja sitten ohjata robottia ja RTU:ta tällä yhdellä laitteistolla.

Toinen vaihtoehto on ohjelmistoyrityksiltä, ​​jotka myyvät robottien kehityspaketteja. Ne mahdollistavat lähes minkä tahansa robottimerkin ohjelmoinnin API-rajapintojen kautta. Nämä ja lukuisat muut ohjelmistotyökalut tekevät robotin asennuksesta helpompaa kuin koskaan, erityisesti tiimeille, joilla on kohtalaista kokemusta liikkeenohjauksesta tai CNC-työstöistä. Alustavat suunnitteluiteraatiot tehdään yleensä offline-tietokoneohjelmoinnilla. Kun henkilöstö asentaa robotin ja RTU:n, ohjelmointiohjelmisto luo koodin, joka latautuu ohjaimiin. Ohjelmisto ajaa RTU:ta ja robottia ohjelmoituja reittejä pitkin ongelmien testaamiseksi. Seuraavaksi asentaja käyttää riippuohjainta robotin tarttujan, leikkurin tai efektorin sijoittamiseen työkohtaisiin pisteisiin, kun taas ohjain tallentaa liikkeet. Muussa tapauksessa asentajat voivat käyttää riippuohjainta koko asennukseen ja sitten hioa ratoja taustalla – yhä yleisempi lähestymistapa.

Varoitus: RTU:t vaikeuttavat robotin kalibrointia
Fyysisen asennuksen jälkeen RTU:t ja robotit tarvitsevat kalibroinnin. Ongelmana on, että RTU:ihin paritetut teollisuusrobotit tekevät usein toistettavia, mutta eivät tarkkoja liikkeitä, joten ne tuottavat liikettä, joka poikkeaa simulaatio-approksimaatioista. Pelkästään teollisuusrobottien keskimääräinen yksisuuntainen toistettavuus on 0,1–0,01 mm. Tyypilliset akselit yhdistävät välyksettömän vaihdepään ja moottorin, ja ohjain seuraa niitä kaikkia korkean resoluution enkoodereilla. Liiketarkkuuden parantaminen entisestään tulee kalliiksi, koska kokoonpanot ja komponentit, kuten hammaspyörästö, aiheuttavat liikehävikkiä (pääasiassa mekaanisen joustavuuden vuoksi). Siksi ohjainten on usein kompensoitava millimetrien asteikolla olevia sijaintivirheitä joissakin tapauksissa.

Perinteisessä robottien kalibroinnissa käytetään kallista laserkohdistusta. Joskus tämä voi vähentää tulostusvirhettä kaksikymmenkertaisesti. Muussa tapauksessa robottivalmistajat tarjoavat tehdaskalibrointia. Omistetut robottien kalibrointiyritykset tarjoavat myös palveluita, jotka voivat ottaa huomioon lisätyn RTU:n vaikutuksen robotin kokonaistarkkuuteen. Muussa tapauksessa kaksoiskamera-anturit mahdollistavat mittaustarkastuksen ja dynaamisen mittauksen optiikan ja erikoisvalaistuksen avulla. Mekaaniset kalibrointitilat ovat toinen vaihtoehto, vaikka niitä on vaikeampi soveltaa pitkillä radoilla liikkuviin robotteihin.