Kattavan automaation suunnittelu nopeille poiminta- ja sijoitussovelluksille on yksi haastavimmista tehtävistä, joita liikesuunnittelijat kohtaavat. Robottijärjestelmien monimutkaistuessa ja tuotantovauhdin noustessa jatkuvasti järjestelmäsuunnittelijoiden on pysyttävä ajan tasalla uusimmista teknologioista tai muuten on olemassa riski, että suunnittelussa ei saavuteta optimaalista lopputulosta. Tarkastellaanpa joitakin uusimpia saatavilla olevia teknologioita ja komponentteja sekä tarkastellaan tarkemmin, missä niitä käytetään.

Robottikädet sopivat kompakteihin malleihin

Teollisuusrobottien käsivarret eivät yleensä ole tunnettuja kevyistä jaloistaan. Useimmissa on pikemminkin tukevat rakenteet, joiden on tuettava raskaita varren päätytyökaluja. Vankan rakenteen eduista huolimatta nämä robottikäsivarret ovat liian raskaita ja kömpelöitä herkkiin sovelluksiin. Jotta ketterämmät käsivarret sopisivat paremmin kevyisiin tehtäviin, Kölnissä, Saksassa, työskentelevän igus Inc:n insinöörit alkoivat kehittää moniakselista niveltä, jonka avulla pienet kuormat voivat kääntyä puomin ympäri. Uusi nivel sopii hyvin herkkiin poiminta-ja-sijoitussovelluksiin, joissa tarttujan voimaa voidaan säätää tarpeen mukaan.

Joustavuus ja keveys ovat uuden nivelen keskeisiä suunnitteluparametreja, ja nivel koostuu muovista ja vaijeriohjaimista. Lyhyesti sanottuna vaijerit siirretään varren olkanivelestä FAULHABERin kompakteilla harjattomilla tasavirtaservomoottoreilla, mikä estää varren inertian, helpottaa dynaamista liikettä ja minimoi suunnittelun vaatiman tilantarpeen.

Insinöörit perustivat suunnittelunsa suurelta osin ihmisen kyynärniveleen, joten kaksi vapautta – rotaatio ja kääntö – on yhdistetty yhdeksi niveleksi. Samoin kuin ihmiskäsivarressa, robottikäsivarren heikoin osa ei ole luut (robottikäden runkoputki) tai lihakset (käyttömoottori), vaan jänteet, jotka siirtävät voimaa. Tässä suurjännitteiset ohjauskaapelit on valmistettu erittäin vahvasta UHMW-PE-polyeteenimateriaalista, jonka vetolujuus on 3 000–4 000 N/mm2. Perinteisten robottikäsivarren toimintojen, kuten poiminta-ja-asennussovellusten, lisäksi nivel sopii hyvin myös erityisiin kameraliittimiin, antureihin tai muihin työkaluihin, joissa vaaditaan kevyttä rakennetta. Jokaiseen niveleen on sisäänrakennettu magneettinen kulma-asentoanturi suuren tarkkuuden takaamiseksi.

Elektronisesti kommutoiduissa servomoottoreissa on pieni liikkuva massa, joka soveltuu dynaamiseen käyttöön: 24 Vdc:n käyttöjännite on suunniteltu akkukäyttöisyyteen, mikä on ratkaisevan tärkeää mobiilisovelluksissa, kun taas 97 mNm:n moottorin vääntömomentti nostaa halkaisijaltaan sopivat planeettapyörästöt varsikäytön vaatimaan arvoon. Lisäksi näissä harjattomissa käyttölaitteissa ei ole roottorin laakerin lisäksi kuluvia osia, mikä varmistaa kymmenien tuhansien tuntien käyttöiän.

Lineaarinen liikejärjestelmä nopeuttaa laboratorioautomaatiota

Perinteisten pakkaus- ja kokoonpanotoimintojen lisäksi poiminta-ja-sijoittelu on yleistymässä myös nopeassa laboratorioautomaatiossa. Kuvittele käsitteleväsi miljoonia bakteerinäytteitä joka päivä, niin saat käsityksen siitä, mitä nykypäivän biotekniikan laboratorioiden odotetaan käsittelevän. Yhdessä kokoonpanossa edistynyt lineaariliikejärjestelmä mahdollistaa RoToR-nimisen biotekniikan laboratoriorobotin kiinnittää soluryhmiä ennätysnopeudella, yli 200 000 näytettä tunnissa. RoToR on peräisin Singer Instrumentsilta, Somersetista, Isosta-Britanniasta, ja sitä käytetään pöytätietokoneen automaatiojärjestelmänä geneettisessä, genomi- ja syöpätutkimuksessa. Yksi näistä roboteista palvelee usein useita eri laboratorioita, ja tutkijat varaavat lyhyitä aikavälejä bakteeri- ja hiivakirjastojen replikointiin, parittamiseen, uudelleenjärjestelyyn ja varmuuskopiointiin.

Reaaliaikainen ohjain käsittelee robotin kolmea liikeakselia, jotka koordinoivat sen pisteestä pisteeseen -kiinnitysliikkeitä, sekä näytteenkäsittelyakselia ja on myös yhteydessä robotin graafiseen käyttöliittymään. Lisäksi ohjain hallitsee myös kaikkia I/O-kanavia.

Ohjaimen lisäksi Baldor toimitti myös lineaarisen servomoottorin ja -käytön sekä kolme integroitua askelmoottori- ja käyttömoduulia. Robotti suorittaa pisteestä pisteeseen -siirtoja lähdelevyiltä kohdelevyille lineaarisen servomoottorin akselia pitkin, joka kulkee koneen leveyden suuntaisesti. Tämä akseli tukee kaksiakselista askelmoottorin päätä, joka ohjaa kiinnitystoimintoa. Itse asiassa yhdistetty XYZ-liike voi jopa sekoittaa näytteitä monimutkaisella kierukkaliikkeellä. Erillinen askelmoottorin akseli ohjaa tapinpäiden latausmekanismia. Pneumaattiset tarttujat ja rotaattorit ohjaavat muita koneen liikkeitä, kuten tapinpäiden nostamista ja hävittämistä toimintojen alussa ja lopussa.

Singer aikoi alun perin käyttää pneumaattista käyttölaitetta pääpoikittaisakselille, mutta tämä rakenne ei pystynyt tarjoamaan haluttua paikannustarkkuutta tai -nopeutta, ja se oli liian meluisa laboratorioympäristöön. Silloin insinöörit alkoivat harkita lineaarimoottoreita. Baldor loi räätälöidyn harjattoman lineaariservomoottorin, jonka lineaarirataan oli tehty mekaanisia muutoksia, joiden ansiosta sitä voitiin tukea vain päistään eikä pitkittäin – jolloin moottorin voimanlähde toimii X-akselin portaalina, joka kannattelee Y- ja Z-akseleita. Lopuksi lineaarimoottorin magneettirakenne minimoi hakkereiden tärinän ja mahdollistaa sujuvan liikkeen.