Системы позиционирования роботов представляют собой длинные рельсы на складах, в аэрокосмической и автомобильной промышленности, позволяющие одному роботу выполнять несколько задач. Эти конструкции, также называемые роботизированными транспортными устройствами (RTU) или системами с 7-й осью, всё чаще используются в сборочных цехах, крупномасштабной сварке и складировании.

В отличие от типичных систем, где робот крепится к полу, RTU перемещают роботов по производственным участкам и заводам, а также перевозят их между станциями. Наилучшие системы для RTU — это те, которые только собираются, или те, где процессы и связанные с ними машины можно расположить в ряд. Когда RTU перемещают шестиосных роботов, линейные направляющие иногда называют седьмой осью (или, реже, когда сам робот имеет семь степеней свободы, восьмой осью). Когда эти направляющие являются частью рамы, включая рамы, на которых подвешен робот, они называются порталами.

Независимо от морфологии робота или рельса, назначение дополнительной оси — обеспечить поступательное движение. Это либо расширяет рабочую зону, либо позволяет роботу перемещать заготовки или инструменты. В некоторых случаях первое позволяет роботу обслуживать несколько станков, выбирать поддоны из рядов или обрабатывать очень крупные детали. Второе обычно применяется при упаковке, сварке, плазменной резке и других механических операциях.

Здесь мы рассмотрим варианты приводов для RTU. Однако следует отметить, что инженерам также необходимо выбрать между набором направляющих и подшипников (обычно в виде толкателей с кулачковым механизмом или профильных направляющих).

Множество вариантов конструкции и привода для RTU
Хотя некоторые порталы оснащены каркасом для переворачивания роботов и их подвешивания для лучшего доступа к машинам сверху, наиболее распространены RTU, которые крепятся к полу болтами и устанавливают робота в вертикальное положение. Такие RTU в среднем имеют более высокую грузоподъемность, перенося роботизированные манипуляторы и захватываемые грузы весом в тысячи фунтов.

Инженеры могут приобрести готовые RTU или изготовить их самостоятельно, используя опыт в области систем движения. Простейшими являются пары линейных направляющих, несущие платформы, к которым крепится робот. Однако многие OEM-производители привлекают специализированных интеграторов для ситуаций, когда роботы на RTU будут выполнять высокоточные задачи, например, резку (где конструкция должна синхронизировать движение нескольких осей) или перемещение отливок через различные станки для обработки.

Самая большая проблема при проектировании роботизированных транспортных устройств — это программирование их синхронизации с шарнирными соединениями роботизированных рук. Вторая по сложности задача — заставить RTU поддерживать точное линейное движение на расстоянии многих метров.

Удовлетворение физических требований для длинных гребков
Иногда скорость является важнейшей задачей при проектировании RTU. Это особенно актуально, когда RTU поднимают роботов на высоту более пары сотен футов или даже больше в специализированных системах. Высокая скорость в контексте перемещения роботов — иногда с манипуляторами весом в тысячи фунтов вместе с их полезной нагрузкой — относительна. Однако некоторые RTU могут двигаться со скоростью более 10 футов в секунду с ускорением до одной g.

Но часто точность является первостепенной задачей при проектировании RTU. Рассмотрим, например, применение робота в кооперативной рабочей ячейке для обработки. В этом случае скорость и расширение рабочей зоны робота полезны только в том случае, если окружающая конструкция способна обеспечить высокую точность. Такие конструкции часто требуют точности до 0,02 мм и повторяемости позиционирования до 0,2 мм или около того при движении по направляющим.

Напротив, если приложение использует роботизированную руку для задач, где адаптивное управление проходит испытания, но где абсолютная точность не так важна, могут подойти другие варианты. Это может быть даже мобильное транспортное средство, оснащённое роботизированной рукой, например, для разгрузки грузовых контейнеров.

Независимо от конструкции, для всех RTU критически важны простота обслуживания и длительный срок службы, поскольку они обычно связаны с несколькими производственными функциями и несколькими другими механизмами. Поэтому простой RTU часто приводит к выходу из строя других станций.

Комплексная безопасность также важна, поскольку многие RTU перемещают робототехнику через поля, заполненные дорогостоящим оборудованием, таким как станки, или даже рабочими, особенно там, где они работают вблизи зон с персоналом по сборке.

Ремни, винты и пневматика для RTU
Роботизированные порталы, перемещающиеся на средние линейные расстояния, часто используют двигатели в паре с ременными приводами. Это относительно простые системы, использующие шкивы с электроприводом для создания натяжения ремня и быстрого ускорения. Однако при увеличении длины хода могут возникнуть проблемы с провисанием ремней, если система не может поддерживать натяжение по всей длине. Для ясности, проблема заключается не в ограничении грузоподъемности, а в риске потери хода из-за несоответствия ремня.

Существуют исключения из условия масштабируемости. В некоторых RTU ременные приводы (приводимые в движение общим карданным валом) приводят в движение кривошипно-шатунные механизмы. В таких случаях ременные приводы могут поддерживать точность позиционирования робота с большим ходом при соответствующих условиях. Большинство успешных RTU с ременным приводом используют каркас и линейные направляющие в комплементарных ориентациях для повышения точности ременного привода. Некоторые такие RTU с рельсовыми приводами с ременным приводом могут поддерживать повторяемость до ±0,001 дюйма (0,01 дюйма) даже при перемещении однотонных роботов на десятки футов (25 метров). В таких случаях (благодаря правильно подобранным рельсам) ременные приводы делают RTU более дешевыми и гибкими, чем альтернативные варианты.

Другой вариант седьмой оси — ось с шарико-винтовым приводом. Такая конструкция позволяет устранить вибрацию и пружинение, возникающие в ременных приводах. По сути, неподвижный механический элемент обеспечивает точную остановку и позиционирование.

Шарико-винтовые передачи обычно хорошо работают в системах длиной до шести метров с помощью прерывистых подшипниковых опор. На более длинных осях основная проблема заключается в том, что винты проскальзывают на высоких скоростях, особенно при недостаточной поддержке. Это происходит из-за того, что валы шарико-винтовых передач изгибаются под собственным весом. Затем, на критической скорости (зависящей от диаметра вала, прямолинейности, соосности и длины без опоры), движение возбуждает собственную частоту вала. Поэтому максимальная скорость уменьшается с увеличением длины шарико-винтовой передачи.

В некоторых системах используются подшипниковые блоки, которые разделяются и складываются вместе, а затем остаются и поддерживают винт для более длительного выдвижения без биения. Однако для сверхдлинных дорожек с шарико-винтовым приводом производители должны соединять несколько винтов (обычно клеем, а не сваркой, чтобы избежать деформации геометрии). В противном случае винт должен иметь сверхбольшой диаметр, чтобы решить проблему биения. Ход некоторых таких установок с шарико-винтовым приводом достигает 10 метров, а скорость вращения — 4000 об/мин. Ещё один нюанс: винты в роботизированных дорожках нуждаются в защите от грязи и мусора. Однако RTU, использующие электродвигатели в паре с шарико-винтовыми приводами, выдерживают большие нагрузки, чем оси с ременным приводом.

Существуют также гидравлические приводы для систем с большим ходом. Такие пневматические RTU обычно являются недорогим решением для приложений, требующих только двухпозиционного позиционирования. Средняя скорость перемещения составляет 2 м/с, и они интегрируются с другими системами управления робота.

Линейные двигатели для прецизионных RTU
Длинноходовые RTU (например, для использования в лабораторной робототехнике) могут использовать линейные двигатели. Большинство таких RTU также оснащены современной электроникой, абсолютными энкодерами и системами управления движением для отслеживания осей даже после ошибок или сбоев.

Типичный радиус действия линейного двигателя составляет около четырёх метров. Такой радиус действия больше подходит для захвата и перемещения полупроводниковых пластин, чем для более тяжёлых RTU-систем. Короче говоря, линейные двигатели в RTU представляют особую сложность, поскольку обеспечивают высокую механическую точность, но должны переносить тяжёлые грузы. Это требует использования большего количества дорогостоящих постоянных магнитов, которые обеспечивают столь высокую производительность линейных двигателей.

Бывают исключения. Один из рекордных RTU с тандемными линейными приводами был заказан и изготовлен по индивидуальному заказу для автоматизированной системы, требующей точных перемещений до 12 м. Жёсткие алюминиевые опорные рельсы работают с двумя шестирядными линейными шарикоподшипниками и направляющими. Синхронные линейные двигатели с двумя пазами развивают выходное усилие до 4200 Н.

Реечные и шестеренчатые комплекты для RTU
Наиболее распространены коммерчески доступные RTU с реечно-шестеренчатыми передачами. Типичная длина достигает 15 метров. Управление линейным блоком интегрировано в контроллер робота как математически связанная ось, что устраняет необходимость в дополнительном контроллере. Многие такие RTU обеспечивают точность даже при ходе в 30 метров благодаря сочетанию бесщёточного серводвигателя переменного тока и планетарного редуктора с винтовыми реечными передачами. В других системах используется каретка, которая перемещается по односторонней направляющей на прочных роликах в блоке. В данном случае направляющие обычно прямоугольные с зубчатой рейкой, врезанной во внутреннюю кромку. Они могут соединяться с криволинейными сегментами, где это удобно.

Некоторые RTU, перемещающие робота по подвижной платформе, используют плоские рельсы из закаленной стали, сопряжённые с кулачковыми толкателями. В других используется электродвигатель с коническим редуктором и ремнём для привода платформы. На длинной оси челнока RTU оснащён электродвигателем-редуктором, приводящим в движение шестерню, зацепляющуюся с рейкой.

Моделирование и программирование RTU
Существуют инструменты, позволяющие инженерам планировать маршруты движения RTU и координировать их с функциями робота. Программное обеспечение для моделирования роботов и даже некоторые модули контроллеров движения позволяют инженерам планировать маршруты, загружать полученное программное обеспечение в контроллер, а затем управлять роботом и RTU с помощью этого единого устройства.

Другой вариант — программное обеспечение от специализированных компаний-разработчиков программного обеспечения, которые продают комплекты для разработки роботов, позволяющие программировать практически любых роботов через API. Эти и множество других программных инструментов делают настройку робота проще, чем когда-либо, особенно для команд с умеренным опытом управления движением или ЧПУ. Первоначальные итерации проектирования обычно происходят посредством автономного программирования на ПК. Затем, когда персонал устанавливает робота и RTU, программное обеспечение для программирования генерирует код, который загружается в элементы управления. Программное обеспечение проводит RTU и робота по запрограммированным траекториям для проверки на наличие проблем. Затем установщик использует подвесной пульт для позиционирования захвата, резака или рабочего органа робота в определенных для работы точках пространства, в то время как контроллер записывает движения. В противном случае установщики могут использовать подвесной пульт для всей настройки, а затем отшлифовать траектории на бэкэнде — все более распространенный подход.

Предостережение: RTU усложняют калибровку робота.
После физической настройки RTU и роботы нуждаются в калибровке. Проблема в том, что промышленные роботы в паре с RTU часто выполняют повторяемые, но не точные движения, поэтому выходное движение отличается от приближений, полученных при моделировании. В одиночку промышленные роботы обеспечивают среднюю однонаправленную повторяемость от 0,1 мм до 0,01 мм. Типичные оси состоят из редуктора с нулевым люфтом и двигателя, а контроллер отслеживает их все с помощью энкодеров высокого разрешения. Дальнейшее повышение точности выходного движения обходится дорого, поскольку узлы и компоненты, такие как зубчатые передачи, вносят холостой ход (в основном из-за механической податливости). Поэтому в некоторых случаях системам управления приходится компенсировать позиционную погрешность порядка миллиметров.

Традиционная калибровка роботов использует дорогостоящую лазерную калибровку. Иногда это может снизить погрешность вывода в двадцать раз. В других случаях производители роботов предлагают заводскую калибровку. Специализированные компании, занимающиеся калибровкой роботов, также предлагают услуги, учитывающие влияние дополнительного RTU на общую точность вывода робота. В противном случае двухкамерные датчики позволяют проводить зондирование и динамические измерения с помощью оптики и специального освещения. Механические методы калибровки являются ещё одним вариантом, хотя их сложнее применять к роботам на длинных путях.