Robot konumlandırma sistemleri, depo, havacılık ve otomotiv tesislerinde bir robotun birden fazla görevi yerine getirmesini sağlayan uzun ray sistemleridir. Robot transfer üniteleri, RTU'lar veya 7. eksen sistemleri olarak da adlandırılan bu hareket tasarımları, montaj, büyük ölçekli kaynak ve depolama alanlarında giderek daha yaygın hale gelmektedir.

Tipik kurulumlarda robotların zemine sabitlendiği durumların aksine, RTU'lar robotları çalışma hücreleri ve fabrikalar içinde hareket ettirir ve istasyonlar arasında taşır. RTU'lar için en uygun kurulumlar, yeni inşa edilenler veya süreçlerin ve ilgili makinelerin düz bir sıra halinde yerleştirilebildiği yerlerdir. RTU'lar altı eksenli robotları hareket ettirdiğinde, doğrusal raylara bazen yedinci eksen (veya daha nadir olarak, robotun kendisinin yedi serbestlik derecesine sahip olduğu durumlarda sekizinci eksen) de denir. Bu raylar, robotun asılı olduğu çerçeveler de dahil olmak üzere bir çerçevenin parçası olduğunda, bunlara portal denir.

Robotun veya rayın morfolojisi ne olursa olsun, ek eksenin amacı öteleme hareketi eklemektir. Bu, ya çalışma alanını genişletir ya da robotun iş parçalarını veya aletleri taşımasına olanak tanır. Bazı düzenlemelerde, ilki robotun birden fazla makineye bakmasına, sıralardan palet almasına veya çok büyük bileşenleri işlemesine olanak tanır. İkincisi için yaygın uygulamalar arasında paketleme, kaynak, plazma ark kesimi ve diğer mekanik işler yer alır.

Burada RTU'lar için tahrik seçeneklerine odaklanıyoruz. Ancak, mühendislerin ayrıca bir dizi kılavuz ve yatak (genellikle kam takipçileri veya profil kılavuzları şeklinde) arasında da seçim yapmaları gerektiğini unutmayın.

RTU'lar için tasarım ve sürücü seçenekleri oldukça fazladır.
Bazı vinç sistemleri, robotları ters çevirip askıya alarak yukarıdan makinelere daha iyi erişim sağlamak için çerçeveleme içerse de, zemine cıvatalarla sabitlenen ve robotu dik konumda konumlandıran RTU'lar en yaygın olanlardır. Bu RTU'lar ortalama olarak daha yüksek yük taşıma kapasitesine sahiptir ve binlerce kilogram ağırlığındaki robot kolları ve tutulan yükleri taşıyabilirler.

Mühendisler önceden tasarlanmış RTU'lar satın alabilir veya hareket sistemi uzmanlığını kullanarak kendi bünyelerinde RTU'lar üretebilirler. En basit olanlar, robotun cıvatalarla monte edildiği platformları taşıyan doğrusal ray çiftleridir. Bununla birlikte, birçok OEM, RTU'lar üzerindeki robotların yüksek hassasiyet gerektiren işler yapacağı durumlarda (örneğin, kesme işlemi (tasarımın birden fazla eksenin eklemlenmesini senkronize etmesi gerekir) veya dökümlerin işleme için çeşitli takım tezgahlarından geçirilmesi) özel entegratörlerden hizmet alır.

Robot transfer ünitelerinin mühendisliğindeki en büyük zorluk, taşıdıkları robot kollarının hareketleriyle senkronize olacak şekilde programlanmalarıdır. İkinci en büyük zorluk ise RTU'ların uzun mesafeler boyunca doğru doğrusal hareketi sürdürmelerini sağlamaktır.

Uzun inmeler için fiziksel gereksinimleri karşılamak
Bazen hız, RTU tasarımının en önemli hedefidir. Bu durum, özellikle RTU'lar robotları birkaç yüz fit veya daha fazla mesafeye taşıdığında, özel kurulumlarda daha da geçerlidir. Robotların hareket ettirilmesi bağlamında yüksek hız (bazen binlerce pound ağırlığındaki kollar ve yükleri) görecelidir. Bununla birlikte, bazı RTU'lar 1 g ivmeyle saniyede 10 fitten fazla hızla hareket edebilir.

Ancak çoğu zaman, doğruluk, RTU tasarımının en önemli hedefidir. Örneğin, bir robotun iş birliğine dayalı bir çalışma hücresine işleme konusunda yardımcı olduğu bir uygulamayı düşünün. Burada, hız ve robotun çalışma alanının genişletilmesi, ancak çevreleyen çerçeve doğruluğu sıkı bir şekilde koruyabiliyorsa faydalıdır. Bu tür tasarımlar genellikle 0,02 mm'ye kadar doğruluk ve ray hareketleri sırasında yaklaşık 0,2 mm'ye kadar konumlandırma tekrarlanabilirliği gerektirir.

Öte yandan, eğer bir uygulama, uyarlanabilir kontrolleri test eden ancak mutlak hassasiyete daha az bağımlı olan uygulamalar için robot kolu kullanıyorsa, diğer kurulumlar da işe yarayabilir. Bu, örneğin nakliye konteynerlerini boşaltmak için robot koluyla donatılmış bir mobil araç şeklinde bile olabilir.

Tasarım ne olursa olsun, düşük bakım gereksinimi ve uzun ömür, tüm RTU (Radyo Ünitesi) kurulumları için çok önemlidir, çünkü bunlar genellikle birden fazla tesis fonksiyonu ve çeşitli diğer makinelerle ilişkilidir. Bu nedenle, RTU'nun arızalanması genellikle diğer istasyonların da devre dışı kalmasına neden olur.

Entegre güvenlik de önemlidir çünkü birçok RTU, özellikle montaj personelinin bulunduğu bölgelerde, takım tezgahları veya hatta işçiler gibi pahalı ekipmanların bulunduğu alanlardan robotları geçirir.

RTU'lar için kayışlar, vidalar ve pnömatik sistemler.
Orta menzilli doğrusal mesafelerde hareket eden robotik portallar genellikle kayış tahrik sistemleriyle eşleştirilmiş motorlar kullanır. Bunlar, bir kayış boyunca gerilim oluşturmak ve hızlı ivme kazanmak için elektrik motoruyla çalışan kasnaklar kullanan nispeten basit sistemlerdir. Bununla birlikte, daha uzun stroklara ulaştıklarında, sistem tüm uzunluk boyunca gerilimi koruyamazsa kayışların sarkmasıyla ilgili sorunlar ortaya çıkabilir. Açıkça belirtmek gerekirse, sorun yük taşıma kapasitesi sınırlaması değil, kayışın esnekliğinden kaynaklanan hareket kaybı riskidir.

Ölçeklenebilirlik uyarısının istisnaları da vardır. Bazı RTU'larda (Robot Taşıma Üniteleri), (ortak bir tahrik milinden tahrik edilen) kayış eksenleri harmonik krankları çalıştırır. Burada, kayış tahrikleri doğru koşullar altında uzun stroklu robotik konumlandırma için hassasiyeti koruyabilir. En başarılı kayış tahrikli RTU'lar, kayış tahrikli kurulumdan daha fazla hassasiyet elde etmek için tamamlayıcı yönlerde çerçeveleme ve doğrusal raylar kullanır. Kayış tahrikli ray aktüatörlerine sahip bazı RTU'lar, bir tonluk robotları onlarca metre hareket ettirirken bile ± 0,001 inç tekrarlanabilirliği koruyabilir. Burada (doğru raylar sayesinde) kayış tahrikli aktüatörler, alternatiflerden daha ucuz ve daha esnek RTU'lar sağlar.

Yedinci eksen için bir diğer seçenek ise bilyalı vida tahrikli bir eksendir. Bu düzenek, kayış tahriklerinde ortaya çıkabilecek titreşim ve yaylanma sorunlarını giderir. Esasen sabit bir mekanik eleman, hassas durdurma ve konumlandırma için kontrolü sağlar.

Bilyalı vidalar, aralıklı yatak destekleri yardımıyla yaklaşık altı metre uzunluğa kadar olan düzeneklerde genellikle iyi çalışır. Daha uzun eksenlerde, asıl sorun, özellikle yeterli destek almadıkları takdirde, vidaların yüksek hızlarda titreşim yapmasıdır. Bunun nedeni, bilyalı vida millerinin kendi ağırlıkları altında bükülmesidir. Daha sonra kritik hızda (vida mili çapı, düzgünlüğü, hizalaması ve desteksiz uzunluğun bir fonksiyonu) hareket, milin doğal frekansını uyarır. Bu nedenle, bilyalı vida uzunluğu arttıkça maksimum hız düşer.

Bazı sistemlerde, ayrılıp bir araya gelen ve daha sonra vidayı destekleyerek daha uzun süre titreşimsiz uzama sağlayan yatak blokları kullanılır. Bununla birlikte, ekstra uzun bilyalı vidalı raylar için üreticilerin birden fazla vidayı birleştirmesi gerekir (genellikle eğrilmiş geometriyi önlemek için kaynak yerine yapıştırıcı kullanarak). Aksi takdirde, titreşim sorununu gidermek için vidanın ekstra büyük bir çapa sahip olması gerekir. Bu tür bilyalı vidalı sistemlerin bazılarında stroklar 10 metreye ulaşır ve 4000 rpm'ye kadar çıkar. Bir diğer uyarı: Robot raylarındaki vidaların kir ve döküntülerden korunması gerekir. Bununla birlikte, elektrik motorlarıyla bilyalı vidaları birleştiren robot ray üniteleri, kayış tahrikli eksenlerden daha büyük yükleri taşıyabilir.

Uzun stroklu sistemler için de akışkan gücü çözümleri mevcuttur. Bu tür pnömatik RTU'lar genellikle sadece ileri-geri iki duraklı konumlandırma gerektiren uygulamalar için düşük maliyetli bir çözümdür. Ortalama modeller saniyede 2 metre hareket hızına sahiptir ve diğer robot kontrol sistemleriyle entegre olur.

Hassas RTU'lar için doğrusal motorlar
Uzun stroklu RTU'lar (örneğin laboratuvar robotiklerinde kullanılmak üzere) doğrusal motor sürücüleri kullanabilir. Bu tür RTU'ların çoğu ayrıca, hatalardan veya kapanmalardan sonra bile eksenleri izlemek için en son teknoloji ürünü elektronikler, mutlak enkoderler ve hareket kontrolü içerir.

Tipik bir lineer motorun erişim mesafesi yaklaşık dört metredir. Bu erişim mesafesi, daha ağır RTU uygulamalarından ziyade, alma-yerleştirme ve yarı iletken gofret taşıma işlemleri için daha uygundur. Kısacası, RTU'lardaki lineer motorlar özellikle zorludur çünkü mekanik hassasiyet sağlarlar ancak ağır yükler taşımaları gerekir. Bu da lineer motorların bu kadar iyi performans göstermesini sağlayan daha pahalı kalıcı mıknatısların kullanımını gerektirir.

İstisnalar da var. 12 metreye kadar hassas hareketler gerektiren bir otomasyon sistemi için özel olarak üretilmiş ve dünya rekoru kıran, tandem lineer aktüatörlere sahip bir RTU (Radar Kontrol Ünitesi) sipariş edildi. Sert alüminyum destek rayları, iki adet altı sıralı lineer bilyalı rulman ve kılavuz ray tertibatlarıyla birlikte çalışır. İki adet oluklu senkron lineer motor, 4200 N'ye kadar kuvvet üretir.

RTU'lar için kremayer ve pinyon takımları
Piyasada bulunan ve kremayer dişli takımları kullanan RTU'lar en yaygın olanlardır. Tipik uzunlukları 15 metreye ulaşır. Doğrusal ünitenin kontrolü, robot kontrol ünitesinde matematiksel olarak birleştirilmiş bir eksen olarak entegre edilmiştir, bu da ek bir kontrol ünitesine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Bu tür birçok RTU, fırçasız bir AC servo motor ve planet dişli kutusunu taşlanmış helisel kremayer dişli takımlarıyla eşleştirerek 30 metreye kadar olan hareketlerde bile hassasiyeti korur. Diğer düzenekler, bir blok içindeki ağır hizmet tipi makaralar üzerinde tek kenarlı bir ray üzerinde hareket eden bir taşıyıcı kullanır. Burada raylar genellikle dikdörtgen olup iç kenarına kremayer oyulmuştur. Bunlar, faydalı bir düzenleme olduğunda kavisli segmentlerle birleştirilebilir.

Robotu hareketli platform üzerinde hareket ettiren bazı RTU'lar, sertleştirilmiş çelikten yapılmış düz yüzeyli raylar kullanır ve bunları kam-izleyici kümeleriyle birleştirir. Diğerleri ise platformu çalıştırmak için helisel konik redüktörlü ve kayışlı bir elektrik motoru kullanır. Daha sonra uzun mekik ekseninde, RTU, bir dişli çarkı tahrik eden ve bir kremayere bağlanan bir elektrikli dişli motoruna sahiptir.

Simülasyon ve programlama RTU'ları
Mühendislerin RTU'ların yollarını planlamalarına ve bunları robot fonksiyonlarıyla koordine etmelerine olanak tanıyan araçlar mevcuttur. Robot simülasyon yazılımları ve hatta bazı hareket kontrol modülleri, mühendislerin rotaları planlamasına, ortaya çıkan yazılımı bir kontrol cihazına yüklemesine ve ardından robotu ve RTU'yu bu tek donanım parçasıyla kontrol etmesine olanak tanır.

Bir diğer seçenek ise, API'ler aracılığıyla hemen hemen her marka robotun programlanmasına olanak tanıyan robot geliştirme kitleri satan özel yazılım şirketlerinin yazılımlarıdır. Bu ve sayısız diğer yazılım araçları, özellikle orta düzeyde hareket kontrolü veya CNC deneyimine sahip ekipler için robot kurulumunu her zamankinden daha kolay hale getiriyor. İlk tasarım yinelemeleri genellikle çevrimdışı PC programlaması yoluyla gerçekleşir. Ardından personel robotu ve RTU'yu kurduğunda, programlama yazılımı kontrol ünitelerine yüklenen kodu oluşturur. Yazılım, sorunları test etmek için RTU'yu ve robotu programlanmış yollar boyunca hareket ettirir. Daha sonra kurulumcu, kontrol ünitesi hareketleri kaydederken robotun tutucu, kesici veya uç efektörünü uzayda işe özgü noktalara konumlandırmak için bir kumanda paneli kullanır. Aksi takdirde, kurulumcular tüm kurulum için bir kumanda paneli kullanabilir ve ardından arka uçta yörüngeleri iyileştirebilirler; bu giderek daha yaygın bir yaklaşımdır.

Uyarı: RTU'lar robot kalibrasyonunu zorlaştırır
Fiziksel kurulumdan sonra, RTU'lar ve robotlar kalibrasyona ihtiyaç duyar. Buradaki sorun, RTU'larla eşleştirilen endüstriyel robotların genellikle tekrarlanabilir ancak hassas olmayan hareketler yapması ve bu nedenle simülasyon yaklaşımlarından farklı bir çıkış hareketi üretmesidir. Tek başına, endüstriyel robotların ortalama tek yönlü tekrarlanabilirliği 0,1 mm ile 0,01 mm arasındadır. Tipik eksenler, sıfır boşluklu bir dişli kutusu ve motoru eşleştirir ve bir kontrolör, yüksek çözünürlüklü enkoderlerle bunların hepsini izler. Çıkış hareketinin doğruluğunu daha da artırmak maliyetli hale gelir, çünkü dişli gibi montajlar ve bileşenler (çoğunlukla mekanik uyumluluktan dolayı) hareket kaybına neden olur. Bu nedenle, kontroller bazı durumlarda milimetre ölçeğinde konum hatasını telafi etmek zorundadır.

Geleneksel robot kalibrasyonu, maliyetli lazer hizalama yöntemini kullanır. Bu yöntem bazen çıktı hatasını yirmi kat azaltabilir. Bunun dışında, robot üreticileri fabrika kalibrasyonu hizmeti sunmaktadır. Özel robot kalibrasyon şirketleri de, eklenen bir RTU'nun genel robot hassasiyeti üzerindeki etkisini hesaba katabilen hizmetler sunmaktadır. Ayrıca, çift kameralı sensörler, optik ve özel aydınlatma yoluyla prob incelemesi ve dinamik ölçüm yapılmasına olanak tanır. Mekanik kalibrasyon yöntemleri de bir diğer seçenektir, ancak uzun raylar üzerindeki robotlara uygulanması daha zordur.