ロボット位置決めシステムは、倉庫、航空宇宙、自動車施設内の長いトラックで、1 台のロボットに複数のタスクを実行させます。ロボット搬送ユニット、RTU、または 7 軸システムとも呼ばれるこれらのモーション設計は、組み立て、大規模溶接、倉庫保管などでますます一般的になってきています。

ロボットを床にボルトで固定する一般的なセットアップとは対照的に、RTU はロボットを作業セルや工場内で移動させ、ステーション間を往復させます。RTU に最適なセットアップは、構築中のセットアップ、またはプロセスと関連マシンを一直線に配置できるセットアップです。RTU が 6 軸ロボットを動かす場合、直線トラックは 7 番目の軸 (または、それほど一般的ではありませんが、ロボット自体が 7 自由度を持つ場合は 8 番目の軸) と呼ばれることもあります。これらのトラックがフレーム (ロボットが吊り下げられているフレームを含む) の一部である場合、それらはガントリーと呼ばれます。

ロボットやトラックの形態に関係なく、追加軸のポイントは並進運動を追加することです。これにより、作業範囲が拡張されるか、ロボットがワークピースやツールを搬送できるようになります。一部の構成では、前者により、ロボットが複数の機械の世話をしたり、列からパレットを取り出したり、非常に大きなコンポーネントを機械加工したりできます。後者の場合、一般的な用途は梱包、溶接、プラズマ アーク切断、その他の機械的作業です。

ここでは、RTU のドライブ オプションに焦点を当てます。ただし、エンジニアは、一連のガイドとベアリング（通常はカムフォロアまたはプロファイルガイドの形式）のどちらを選択するかを決定する必要があることに注意してください。

RTU の設計と推進のオプションが豊富にあります
一部のガントリーには、上から機械にアクセスしやすくするためにロボットを反転させて吊り下げるためのフレームが含まれていますが、床にボルトで固定され、ロボットを直立させる RTU が最も一般的です。これらの RTU は平均してペイロードが高く、ロボット アームや数千ポンドの重さの掴んだ荷物を運びます。

エンジニアは、プレエンジニアリングされた RTU を購入することも、モーション システムの専門知識を利用して社内で RTU を構築することもできます。最も単純なものは、ロボットがボルトで固定されるプラットフォームを支える線形トラックのペアです。ただし、多くの OEM は、RTU 上のロボットが高精度の作業を実行する状況、たとえば、切断タスク (設計で複数の軸の関節動作を同期させる必要がある場合) や、加工のためにさまざまな工作機械で鋳物を移動する場合など、専用のインテグレータに依頼しています。

ロボット搬送ユニットの設計における最大の課題は、ロボット搬送ユニットが搭載するロボット アームの関節動作と同期するようにプログラムすることです。2 番目に大きな課題は、RTU が数メートルにわたって正確な直線運動を維持できるようにすることです。

ロングストロークの物理的要件を満たす
場合によっては、速度が RTU 設計の最優先目標となることがあります。これは、特殊なセットアップで RTU が数百フィート以上の距離までロボットを移動させる場合に特に当てはまります。ロボット (場合によってはアームとそのペイロードの重量が数千ポンドになることもあります) を動かすという状況における高速性は相対的なものです。ただし、一部の RTU は 1 g までの加速で 10 フィート/秒を超える速度で移動できます。

しかし、多くの場合、精度が RTU 設計の最優先目標となります。たとえば、ロボットが協調作業セルの機械加工を支援するアプリケーションを考えてみましょう。ここで、スピードとロボットの作業領域の拡張は、周囲のフレームワークが精度をしっかりと保持できる場合にのみ役立ちます。このような設計では、トラック移動中に 0.02 mm までの精度と 0.2 mm 程度の位置再現性が必要になることがよくあります。

対照的に、適応制御をペースに適用するが絶対精度への依存度が低いアプリケーションにロボット アームを使用する場合は、他のセットアップが機能する可能性があります。これは、たとえば輸送コンテナを降ろすために、ロボット アームを備えた移動車両の形をとることもあります。

設計に関係なく、RTU セットアップは通常、複数のプラント機能や他のいくつかの機械に関連付けられているため、すべての RTU セットアップにとってメンテナンスの手間がかからず、寿命が長いことが重要です。したがって、RTU のダウンタイムにより、他のステーションが停止することがよくあります。

多くの RTU は、工作機械や作業員などの高価な機器が設置されている現場、特に組立担当者がいるゾーンの周囲で作業する現場でロボットを移動させるため、統合された安全性も重要です。

RTU用のベルト、ネジ、空気圧機器
中距離の直線距離を移動するロボット ガントリーでは、多くの場合、ベルト ドライブと組み合わせたモーターが使用されます。これらは、電動モーター駆動のプーリーを使用してベルトに張力を生み出し、急速に加速する比較的単純なシステムです。ただし、ストロークが長くなると、システムが全長にわたって張力を維持できなくなると、ベルトがたるむという問題が発生する可能性があります。明確にしておきますが、問題はペイロード制限ではありません。むしろ、ベルトのコンプライアンスによるロストモーションのリスクです。

スケーラビリティに関する注意事項には例外があります。一部の RTU では、ベルト軸 (共通のドライブシャフトから駆動される) がハーモニック クランクを駆動します。ここで、ベルトドライブは、適切な条件下でロングストロークのロボット位置決めの精度を維持できます。最も成功しているベルト駆動 RTU は、ベルト駆動セットアップの精度を高めるために、相補的な向きでフレーミングとリニア トラックを使用しています。ベルト駆動レールアクチュエータを備えた一部の RTU は、1 トンのロボットを数十フィートにわたって移動させているときでも、再現性を ± 0.001 インチに維持できます。ここでは (適切なレールのおかげで) ベルト駆動アクチュエータが、代替品よりも安価で柔軟性の高い RTU を実現します。

7 番目の軸の別のオプションは、ボールねじ駆動軸です。この設定は、ベルトドライブで発生する可能性のある振動とバネに対処します。基本的に、固定された機械要素が正確な停止と位置決めのための制御を維持します。

ボールねじは通常、断続的なベアリングサポートの助けを借りて、約 6 メートルの長さのセットアップで適切に機能します。長い軸の場合、主な問題は、特に十分なサポートが得られていない場合に、高速でネジが激しく回転することです。ボールねじの軸が自重で曲がるからです。次に、臨界速度 (ねじシャフトの直径、真直度、位置合わせ、および支持されていない長さの関数) での動きがシャフトの固有振動数を励起します。したがって、ボールねじの長さが長くなると最高速度は低下します。

一部のセットアップでは、分離して一緒に折りたたむベアリング ブロックを使用し、その後、スクリューを保持してサポートし、ホイップのない伸長を長くします。ただし、非常に長いボールねじ駆動のトラックの場合、メーカーは複数のねじを接合する必要があります (通常、形状の歪みを避けるために溶接ではなく接着剤を使用します)。それ以外の場合は、ホイップの問題に対処するために、ネジの直径を特に大きくする必要があります。このようなボールねじベースのセットアップのストロークは 10 メートルに達し、4,000 rpm まで動作します。もう 1 つの注意点: ロボット トラックのネジは、汚れや破片から保護する必要があります。ただし、ボールねじと組み合わせた電気モーターを使用する RTU は、ベルト駆動の軸よりも大きな負荷を処理します。

ロングストロークセットアップ用のフルードパワーも存在します。このような空気圧 RTU は、通常、往復 2 ストップ位置決めのみを必要とするアプリケーション向けの低コストのソリューションです。平均製品は 2 m/秒で移動し、他のロボット制御と統合されます。

高精度 RTU 用リニア モーター
ロングストローク RTU (実験用ロボットなどで使用される) では、リニア モーター ドライブを使用できます。このような RTU のほとんどには、エラーやシャットダウン後でも軸を追跡するための最先端の電子機器、絶対エンコーダ、およびモーション コントロールも組み込まれています。

リニアモーターのより一般的な到達距離は 4 メートル程度です。このような到達距離は、より重い RTU アプリケーションよりも、ピックアンドプレースや半導体ウェーハの取り扱いに適しています。つまり、RTU のリニア モーターは機械的精度を実現しますが、重いペイロードを運ぶ必要があるため、特に困難です。これにより、リニアモーターの優れた性能を実現する高価な永久磁石がさらに必要になります。

例外もあります。タンデム リニア アクチュエータを備えた 1 つの世界記録の RTU が、12 m までの正確な移動を必要とする自動化セットアップ用に委託され、カスタム構築されました。剛性アルミニウム製サポート レールは、2 つの 6 列リニア循環ボール ベアリングとガイドウェイ アセンブリで動作します。ツインスロット同期リニアモーターは 4,200 N までの力を出力します。

RTU用ラックアンドピニオンセット
ラックアンドピニオン セットを使用する市販の RTU が最も一般的です。典型的な長さは 15 メートルに達します。リニアユニットの制御はロボットコントローラーの数学的に結合された軸として統合されているため、追加のコントローラーが必要ありません。このような RTU の多くは、ブラシレス AC サーボモーターと遊星ギアボックスを研削ヘリカル ラックアンドピニオン セットと組み合わせることで、30 メートルのストロークまで精度を維持します。他のセットアップでは、ブロック内の頑丈なローラー上の片端レール上を移動するキャリッジを使用します。ここで、レールは通常長方形で、内側の端にラックが切り込まれています。これらは、レイアウトに役立つ曲線セグメントと結合できます。

走行プラットフォーム上でロボットを移動させる一部の RTU は、硬化鋼製の平らな表面のレールを使用し、これらをカムフォロワー クラスターと組み合わせます。ヘリカルベベル減速機とベルトを備えた電気モーターを使用してプラットフォームに動力を供給するものもあります。次に、長いシャトル軸上で、RTU はラックと噛み合うピニオンを駆動する電気ギアモーターを備えています。

シミュレーションおよびプログラミング RTU
エンジニアが RTU のパスを計画し、それをロボットの機能と調整できるようにするツールが存在します。ロボット シミュレーション ソフトウェアと一部のモーション コントローラー モジュールを使用すると、エンジニアはトラックを計画し、作成されたソフトウェアをコントローラーにロードして、その 1 つのハードウェアでロボットと RTU を制御できます。

もう 1 つのオプションは、ロボット開発キットを販売する専用のソフトウェア会社のソフトウェアです。これにより、API を介してほとんどのブランドのロボットをプログラミングできます。これらおよびその他の無数のソフトウェア ツールにより、特にモーション コントロールや CNC の経験が中程度のチームにとって、ロボットのセットアップがこれまでより簡単になります。初期設計の反復は通常、オフライン PC プログラミングを通じて行われます。次に、担当者がロボットと RTU を設置すると、プログラミング ソフトウェアが制御装置に読み込まれるコードを生成します。ソフトウェアは、プログラムされたパスを通じて RTU とロボットを駆動し、問題がないかテストします。次に、設置者はペンダントを使用してロボットのグリッパー、カッター、またはエンドエフェクターを空間内のジョブ固有のポイントに配置し、同時にコントローラーが動きを記録します。それ以外の場合、設置者はセットアップ全体にペンダントを使用し、バックエンドで軌道を磨き上げることができます。これは、ますます一般的なアプローチです。

注意: RTU はロボットのキャリブレーションを複雑にします
物理的なセットアップ後、RTU とロボットはキャリブレーションが必要です。問題は、RTU と組み合わせた産業用ロボットは、再現性はあるものの正確ではない動作を行うことが多いため、シミュレーションの近似とは異なる出力動作が発生することです。産業用ロボット単体では、平均一方向再現性は 0.1 mm ～ 0.01 mm です。一般的な軸はバックラッシュゼロのギヤヘッドとモーターを組み合わせており、コントローラーは高解像度エンコーダーを使用してそれらすべてを追跡します。ギアなどのアセンブリやコンポーネントではロストモーション（主に機械的コンプライアンスが原因）が発生するため、出力モーションの精度をさらに高めるにはコストがかかります。したがって、場合によっては、制御装置がミリメートル単位の位置誤差を補正する必要があることがよくあります。

従来のロボットのキャリブレーションでは、コストのかかるレーザー位置合わせが使用されます。これにより、出力エラーが 20 分の 1 に減少する場合があります。それ以外の場合は、ロボット メーカーが工場での校正を提供します。ロボットのキャリブレーションを専門とする会社も、追加された RTU がロボットの全体的な精度の出力に及ぼす影響を考慮できるサービスを提供しています。それ以外の場合は、デュアルカメラセンサーにより、光学系と特殊な照明を介したプロービング検査と動的測定が可能になります。機械的キャリブレーション モードも別のオプションですが、長いトラック上のロボットに適用するのは困難です。