מערכות מיקום רובוטיות הן מסלולים ארוכים במחסנים, במתקני תעופה וחלל ורכב המאפשרים לרובוט אחד לבצע משימות מרובות. מערכות תנועה אלו, המכונות גם יחידות העברת רובוטים או RTU או מערכות ציר 7, הופכות נפוצות יותר ויותר עבור הרכבה, ריתוך בקנה מידה גדול ומחסנים.

בניגוד למערכות אופייניות שבהן רובוט מתחבר לרצפה, יחידות RTU מעבירות רובוטים דרך תאי עבודה ומפעלים ומעבירות אותם בין תחנות. המערכות הטובות ביותר עבור יחידות RTU הן אלו שנבנות לאחרונה או אלו בהן ניתן למקם תהליכים ומכונות קשורות בשורה ישרה. כאשר יחידות RTU מניעות רובוטים בעלי שישה צירים, המסילות הליניאריות נקראות לעיתים גם הציר השביעי (או פחות נפוץ, כאשר לרובוט עצמו יש שבע דרגות חופש, הציר השמיני). כאשר מסילות אלו הן חלק ממסגרת, כולל מסגרות מהן הרובוט תלוי, הן נקראות גנטריות.

ללא קשר למורפולוגיה של הרובוט או המסלול, מטרת הציר הנוסף היא להוסיף תנועה טרנסלציונית. זה מרחיב את מעטפת העבודה או מאפשר לרובוט להעביר חלקי עבודה או כלים. בסידורים מסוימים, הראשון מאפשר לרובוט לטפל במכונות מרובות או לאסוף משטחים משורות, או לעבד רכיבים גדולים מאוד. עבור האחרון, יישומים נפוצים הם אריזה, ריתוך, חיתוך קשת פלזמה ומשימות מכניות אחרות.

כאן אנו מתמקדים באפשרויות הנעה עבור יחידות RTU. עם זאת, שימו לב שמהנדסים חייבים גם להחליט בין מערך של מדריכים ומיסבים (בדרך כלל בצורה של עוקבי גל או מדריכי פרופיל).

אפשרויות עיצוב והנעה עבור RTUs שפע
למרות שחלק מהגנטריות כוללות שלדה להיפוך רובוטים ותלייתם לגישה טובה יותר למכונות מלמעלה, רובוטים ניידים (RTU) המתחברים לרצפה ומכוונים את הרובוט זקוף הם הנפוצים ביותר. רובוטים ניידים אלה נושאים מטענים גבוהים יותר בממוצע, והם נושאים זרועות רובוט ומשאיות נתפסות במשקל אלפי קילוגרמים.

מהנדסים יכולים לרכוש יחידות RTU מהונדסות מראש או לבנות יחידות RTU באופן עצמאי תוך שימוש במומחיות במערכות תנועה. הפשוטים ביותר הם זוגות מסילות ליניאריות הנושאות פלטפורמות אליהן הרובוט מתחבר. עם זאת, יצרני ציוד מקורי רבים מגייסים אינטגרטורים ייעודיים עבור מצבים שבהם רובוטים על יחידות RTU יבצעו עבודות מדויקות - לדוגמה, משימת חיתוך (שם התכנון חייב לסנכרן את המפרק של צירים מרובים) או העברת יציקות דרך כלי מכונה שונים לצורך עיבוד.

האתגר הגדול ביותר בהנדסת יחידות העברה רובוטיות הוא תכנותן לסנכרון עם ציר זרועות הרובוט שהן נושאות. האתגר השני בגודלו הוא לגרום ליחידות RTU לשמור על תנועה ליניארית מדויקת לאורך מטרים רבים.

עמידה בדרישות הפיזיות לתנועות ארוכות
לפעמים מהירות היא המטרה העליונה בתכנון יחידות RTU. זה נכון במיוחד כאשר יחידות RTU לוקחות רובוטים למרחק של יותר מכמה מאות רגל או אפילו יותר במערכות מיוחדות. מהירות גבוהה בהקשר של תנועת רובוטים - לפעמים זרועות ששוקלות אלפי קילוגרמים בתוספת המטענים שלהן - היא יחסית. עם זאת, חלק מה-RTU יכולים לנוע במהירות של יותר מ-10 רגל לשנייה עם תאוצה של גרם אחד.

אבל לעתים קרובות, דיוק הוא המטרה העליונה של תכנון RTU. קחו לדוגמה יישום שבו רובוט מסייע לתא עבודה שיתופי בעיבוד שבבי. כאן, מהירות והרחבת מעטפת העבודה של הרובוט שימושיות רק אם המסגרת הסובבת יכולה לשמור על דיוק הדוק. עיצובים כאלה זקוקים לעתים קרובות לדיוק של 0.02 מ"מ ולחזרה על מיקום של 0.2 מ"מ בערך במהלך תנועות מסילה.

לעומת זאת, אם יישום משתמש בזרוע רובוטית עבור יישומים שבודקים בקרות אדפטיביות אך פחות תלויים בדיוק מוחלט, הגדרות אחרות עשויות לעבוד. זה יכול אפילו ללבוש צורה של רכב נייד המצויד בזרוע רובוטית - למשל, לפרוק מכולות משלוח.

ללא קשר לעיצוב, תחזוקה נמוכה ואורך חיים ארוך הם קריטיים לכל מערכי RTU, מכיוון שהם בדרך כלל קשורים ליותר מפונקציה אחת של המפעל ולמספר חלקי מכונות אחרים. לכן, זמן השבתה של RTU גורם לעתים קרובות להשבתת תחנות אחרות.

בטיחות משולבת חשובה גם משום שרובוטיקה רציפה (RTU) מניעה רובוטיקה דרך שדות המאוכלסים בציוד יקר כמו מכונות או אפילו עובדים - במיוחד כאשר הם פועלים סביב אזורים עם אנשי הרכבה.

רצועות, ברגים ופנאומטיקה עבור יחידות RTU
גנטרי רובוטיים החוצים מרחקים ליניאריים בינוניים משתמשים לעתים קרובות במנועים בשילוב עם הנעות רצועות. אלו מערכות פשוטות יחסית המשתמשות בגלגלות המונעות על ידי מנוע חשמלי כדי ליצור מתח לאורך רצועה ולהאיץ במהירות. עם זאת, ככל שהן מגיעות למהלכים ארוכים יותר, עלולות להתעורר בעיות של צניחת רצועות אם המערכת אינה יכולה לשמור על מתח לכל האורך. כדי להבהיר, הבעיה אינה מגבלת מטען. אלא, מדובר בסיכון לאובדן תנועה כתוצאה מתאימות הרצועה.

ישנם יוצאים מן הכלל לאזהרת המדרגיות. בחלק מיחידות ה-RTU, צירי רצועה (המונעים מציר הנעה משותף) מניעים ארכובות הרמוניות. כאן, הנעות רצועה יכולות לשמור על דיוק למיקום רובוטי בעל מהלך ארוך בתנאים הנכונים. רוב מערכות ה-RTU המונעות רצועה המוצלחות משתמשות במסגרות ובמסילות ליניאריות בכיוונים משלימים כדי לקבל דיוק רב יותר מהמערכת המונעת רצועה. חלק מיחידות ה-RTU הללו עם מפעילי מסילה המונעים רצועה יכולות לשמור על חזרתיות של ± 0.001 אינץ', אפילו תוך כדי הזזת רובוטים במשקל טון אחד על פני עשרות מטרים. כאן (הודות למסילות הנכונות) מפעילים המונעים רצועה יוצרים RTU זולים וגמישים יותר מחלופות.

אפשרות נוספת לציר השביעי היא ציר המונע על ידי בורג כדורים. הגדרה זו מטפלת בתנודות וקפיצות שיכולות להיווצר בהנעות רצועות. למעשה, רכיב מכני קבוע שומר על שליטה על עצירה ומיקום מדויקים.

ברגי כדור בדרך כלל פועלים היטב במערכות באורך של כשישה מטרים בעזרת תמיכות מיסבים לסירוגין. בצירים ארוכים יותר, הבעיה העיקרית היא שהברגים מתנועעים במהירויות גבוהות, במיוחד אם הם לא מקבלים תמיכה מספקת. הסיבה לכך היא שגירים של בורג כדור מתכופפים תחת משקלם. לאחר מכן, במהירות קריטית (פונקציה של קוטר בורג-ציר, ישרות, יישור ואורך שאינו נתמך), התנועה מעוררת את התדר הטבעי של הציר. לכן, המהירות המקסימלית יורדת ככל שאורך בורג הכדור גדל.

חלק מהמערכות משתמשות בבלוקים של מיסבים אשר נפרדים וקורסים יחד - ולאחר מכן נשארים ותומכים בבורג לצורך הארכה ארוכה יותר ללא שוט. עם זאת, עבור מסילות מונעות באמצעות בורג כדורים ארוכות במיוחד, היצרנים חייבים לחבר ברגים מרובים (בדרך כלל באמצעות דבק במקום ריתוך כדי למנוע גיאומטריה מעוותת). אחרת, הבורג חייב להיות בקוטר גדול במיוחד כדי לטפל בבעיית השוט. מהלכים מכמה מערכות מבוססות בורג כדורים כאלה מגיעים ל-10 מטרים ונמשכים עד 4,000 סל"ד. אזהרה נוספת: ברגים במסילות רובוטיות זקוקים להגנה מפני לכלוך ופסולת. עם זאת, במקומות בהם הם פועלים, יחידות RTU המשתמשות במנועים חשמליים בשילוב עם בורגי כדורים מטפלות בעומסים גדולים יותר מאשר צירים מונעים באמצעות רצועה.

קיימות גם מערכות כוח נוזלים עבור מערכות בעלות תנופה ארוכה. יחידות RTU פנאומטיות כאלה הן בדרך כלל פתרון זול עבור יישומים הדורשים רק מיקום קדימה ואחורה בשני עצירות. הצעות ממוצעות נעות במהירות של 2 מטר לשנייה ומשתלבות עם בקרות רובוט אחרות.

מנועים ליניאריים עבור RTUs מדויקים
יחידות RTU בעלות מהלך ארוך (לשימוש ברובוטיקה במעבדה, למשל) יכולות להשתמש בהנעות מנוע ליניאריות. רוב יחידות ה-RTU הללו כוללות גם אלקטרוניקה מתקדמת, מקודדים מוחלטים ובקרת תנועה למעקב אחר צירים, גם לאחר שגיאות או כיבוי.

טווח הגעה אופייני יותר של מנוע ליניארי הוא כארבעה מטרים. טווח כזה מתאים יותר לטיפול ב-pick-and-place ובפרוסות מוליכים למחצה מאשר ליישומים כבדים יותר של RTU. בקיצור, מנועים ליניאריים ב-RTU מאתגרים במיוחד משום שהם מספקים דיוק מכני אך חייבים לשאת עומסים כבדים. זה מחייב שימוש במגנטים קבועים יקרים יותר שגורמים למנועים ליניאריים לתפקד כל כך טוב.

ישנם יוצאים מן הכלל. מנוע RTU אחד, בעל שיא עולמי, עם מפעילים ליניאריים טנדם, הוזמן ונבנה בהתאמה אישית עבור מערך אוטומציה הדורש מהלכים מדויקים של עד 12 מטר. מסילות תמיכה קשיחות מאלומיניום פועלות עם שני מיסבי כדור מחזור ליניאריים בני שש שורות ומכלולי מסילות הובלה. שני מנועים ליניאריים סינכרוניים מחורצים מפיקים כוח של 4,200 ניוטון.

סטים של מתלה וגלגל שיניים עבור RTUs
יחידות RTU מסחריות המשתמשות במערכות מתלה וגלגל שיניים הן הנפוצות ביותר. אורכים אופייניים מגיעים ל-15 מטרים. בקרת היחידה הליניארית משולבת כציר מצומד מתמטית בבקר הרובוט, מה שמבטל את הצורך בבקר נוסף. יחידות RTU רבות כאלה שומרים על דיוק אפילו עד למהלכים של 30 מטרים על ידי שילוב מנוע סרבו AC ללא מברשות ותיבת הילוכים פלנטרית עם מערכי מתלה וגלגל שיניים סליליים הארקה. מערכות אחרות משתמשות בגררה הנעה על מסילה בעלת קצה יחיד על גבי גלילים כבדים בבלוק. כאן, המסילות בדרך כלל מלבניות עם מתלה חתוך לקצה פנימי. אלה יכולות להתחבר עם מקטעים מעוקלים כאשר זהו פריסה מועילה.

חלק מה-RTUs המניעים את הרובוט על גבי הפלטפורמה הנעה משתמשים במסילות שטוחות עשויות פלדה מוקשה ומשלבות אותן עם אשכולות עוקבים. אחרים משתמשים במנוע חשמלי עם מפחית שיפוע סלילי ורצועה כדי להפעיל את הפלטפורמה. לאחר מכן, על ציר ההסעה הארוך, ה-RTU מצויד במנוע גיר חשמלי המניע גלגל שיניים הפועל במסילה.

סימולציה ותכנות של יחידות RTU
קיימים כלים המאפשרים למהנדסים לתכנן את מסלולי ה-RTU ולתאם אותם עם פונקציות הרובוט. תוכנות סימולציית רובוטים ואפילו מודולים מסוימים של בקרי תנועה מאפשרים למהנדסים לתכנן מסלולים, לטעון תוכנה שנוצרת לבקר, ולאחר מכן לשלוט ברובוט וב-RTU בעזרת אותה חומרה.

אפשרות נוספת היא תוכנה מחברות תוכנה ייעודיות המוכרות ערכות פיתוח רובוטים, המאפשרות תכנות של כמעט כל מותג של רובוט באמצעות ממשקי API. כלי תוכנה אלה ועוד מגוון רחב של כלי תוכנה הופכים את הגדרת הרובוט לקלה מאי פעם, במיוחד עבור צוותים עם ניסיון בינוני בבקרת תנועה או CNC. איטרציות עיצוב ראשוניות מתרחשות בדרך כלל באמצעות תכנות מחשב לא מקוון. לאחר מכן, כאשר אנשי הצוות מתקינים את הרובוט ואת ה-RTU, תוכנת התכנות מייצרת קוד שנטען לבקרות. התוכנה מניעה את ה-RTU והרובוט דרך נתיבים מתוכנתים כדי לבדוק בעיות. לאחר מכן, המתקין משתמש בתליון כדי למקם את התפס, החותך או אפקטור הקצה של הרובוט בנקודות ספציפיות לעבודה במרחב, בעוד שהבקר מתעד את התנועות. אחרת, מתקינים יכולים להשתמש בתליון עבור כל ההתקנה ולאחר מכן ללטש מסלולים בקצה האחורי - גישה נפוצה יותר ויותר.

אזהרה: RTUs מסבכים את כיול הרובוטים
לאחר ההתקנה הפיזית, יחידות RTU ורובוטים זקוקים לכיול. הבעיה היא שרובוטים תעשייתיים המשולבים עם יחידות RTU מבצעים לעתים קרובות תנועות חוזרות אך לא מדויקות, ולכן מניבות תנועת פלט השונה מקירובים של סימולציה. לבדם, רובוטים תעשייתיים מגיעים לממוצע חזרתיות חד-כיוונית של 0.1 מ"מ עד 0.01 מ"מ. צירים אופייניים משדכים ראש גלגל שיניים ומנוע ללא שינוי תנועה, ובקר עוקב אחר כולם באמצעות מקודדים ברזולוציה גבוהה. שיפור דיוק תנועת הפלט הופך יקר עוד יותר, שכן מכלולים ורכיבים כמו גלגלי שיניים גורמים לאובדן תנועה (בעיקר עקב תאימות מכנית). לכן, בקרות חייבות לעתים קרובות לפצות על שגיאת מיקום בסולם של מילימטרים במקרים מסוימים.

כיול רובוטים מסורתי משתמש בכוונון לייזר יקר. לפעמים זה יכול להפחית את שגיאת הפלט פי עשרים. אחרת, יצרני רובוטים מציעים כיול במפעל. חברות כיול רובוטים ייעודיות מציעות גם שירותים שיכולים להתחשב בהשפעת RTU נוסף על תפוקת הדיוק הכוללת של הרובוט. אחרת, חיישני מצלמה כפולים מאפשרים בדיקת גשש ומדידה דינמית באמצעות אופטיקה ותאורה מיוחדת. מצבי כיול מכניים הם אפשרות נוספת, אם כי קשה יותר ליישם אותם על רובוטים על מסלולים ארוכים.