Системи позиціонування роботів – це довгі колії на складських, аерокосмічних та автомобільних об'єктах, що дозволяють одному роботу виконувати кілька завдань. Ці конструкції руху, також відомі як блоки переміщення роботів, RTU або 7-осьові системи, стають все більш поширеними для складання, великомасштабного зварювання та складського зберігання.

На відміну від типових установок, у яких робот кріпиться болтами до підлоги, дистанційні транспортні засоби (RTU) переміщують роботів через робочі камери та фабрики, а також переміщують їх між станціями. Найкращими установками для RTU є ті, що щойно будуються, або ті, де процеси та пов'язані з ними машини можна розмістити в прямий ряд. Якщо RTU переміщують шестиосьових роботів, лінійні доріжки іноді називають сьомою віссю (або рідше, коли сам робот має сім ступенів свободи, восьмою віссю). Коли ці доріжки є частиною рами, включаючи рами, на яких висить робот, вони називаються порталами.

Незалежно від морфології робота чи колії, метою додаткової осі є додавання поступального руху. Це або розширює робочу зону, або дозволяє роботу транспортувати заготовки чи інструменти. У деяких конфігураціях перша дозволяє роботу обслуговувати кілька верстатів, збирати піддони з рядів або обробляти дуже великі компоненти. Для другої поширеними сферами застосування є пакування, зварювання, плазмово-дугове різання та інші механічні завдання.

Тут ми зосереджуємося на варіантах приводів для RTU. Однак зауважте, що інженери також повинні вибирати між набором напрямних та підшипників (зазвичай у вигляді кулачкових штовхачів або профільних напрямних).

Існує безліч варіантів дизайну та приводів для RTU
Хоча деякі портали включають каркаси для перевертання роботів та підвішування їх для кращого доступу до машин зверху, найпоширенішими є RTU, які кріпляться болтами до підлоги та орієнтують робота вертикально. Ці RTU мають в середньому більше корисне навантаження, перевозячи роботизовані маніпулятори та захоплені вантажі вагою тисячі фунтів.

Інженери можуть купувати готові дистанційні пристрої (RTU) або створювати їх власними силами, використовуючи досвід у сфері систем руху. Найпростішими є пари лінійних напрямних, які несуть платформи, до яких кріпиться робот болтами. Однак багато виробників оригінального обладнання (OEM) залучають спеціалізованих інтеграторів для ситуацій, коли роботи на RTU виконуватимуть високоточні завдання, наприклад, завдання різання (де конструкція повинна синхронізувати зчленування кількох осей) або переміщення виливків через різні верстати для обробки.

Найбільшим викликом у розробці блоків переміщення роботів є програмування їх синхронізації з артикуляцією робототехнічних рук, які вони несуть. Другим за величиною викликом є ​​забезпечення точного лінійного руху RTU на відстані багатьох метрів.

Відповідність фізичним вимогам для довгих гребків
Іноді швидкість є головною метою проектування RTU. Це особливо актуально, коли RTU переносять роботів на відстань кількох сотень футів або навіть більше у спеціалізованих умовах. Висока швидкість у контексті переміщення роботів — іноді рук вагою тисячі фунтів плюс їхнє корисне навантаження — є відносною. Однак деякі RTU можуть рухатися зі швидкістю понад 10 футів/с з прискоренням до одного g.

Але часто точність є головною метою проектування RTU. Розглянемо, наприклад, застосування, де робот допомагає кооперативній робочій комірці з обробкою. Тут швидкість і розширення робочої зони робота корисні лише за умови, що навколишня конструкція може забезпечити високу точність. Такі конструкції часто потребують точності до 0,02 мм і повторюваності позиціонування приблизно до 0,2 мм під час рухів по рейці.

Натомість, якщо в застосунку використовується роботизована рука для застосувань, які забезпечують адаптивне керування, але менше залежать від абсолютної точності, можуть спрацювати інші налаштування. Це може навіть бути мобільний транспортний засіб, оснащений роботизованою рукою, наприклад, для розвантаження транспортних контейнерів.

Незалежно від конструкції, низькі експлуатаційні витрати та тривалий термін служби є вирішальними для всіх установок RTU, оскільки вони зазвичай пов'язані з кількома функціями заводу та кількома іншими одиницями обладнання. Тому простій RTU часто призводить до виходу з ладу інших станцій.

Інтегрована безпека також важлива, оскільки багато дистанційних транспортних засобів (RTU) переміщують робототехніку через поля, де знаходиться дороге обладнання, таке як верстати або навіть працівники, особливо там, де вони працюють поблизу зон зі складальним персоналом.

Ремені, гвинти та пневматика для RTU
Роботизовані портали, що переміщують середні лінійні відстані, часто використовують двигуни в парі з ремінними приводами. Це відносно прості системи, які використовують шківи з електродвигунами для створення натягу вздовж ременя та швидкого прискорення. Однак, коли вони досягають довших ходів, можуть виникнути проблеми з провисанням ременів, якщо система не може підтримувати натяг по всій довжині. Зрозуміло, проблема не в обмеженні корисного навантаження. Швидше, це ризик втрати ходу через податливість ременя.

Існують винятки з обмеження масштабованості. У деяких дистанційних транспортних засобах (RTU) ремінні осі (що приводяться в рух від спільного карданного валу) приводять у дію гармонійні кривошипи. Тут ремінні приводи можуть підтримувати точність для довгохідного робототехнічного позиціонування за правильних умов. Більшість успішних RTU з ремінним приводом використовують каркасне розташування та лінійні доріжки в комплементарних орієнтаціях, щоб отримати більшу точність від ремінного приводу. Деякі такі RTU з рейковими приводами з ремінним приводом можуть підтримувати повторюваність до ± 0,001 дюйма, навіть під час переміщення однотонних роботів на десятки футів. Тут (завдяки правильним рейкам) ремінні приводи роблять RTU дешевшими та гнучкішими, ніж альтернативи.

Іншим варіантом для сьомої осі є вісь з кульковим гвинтовим приводом. Така схема усуває вібрацію та пружинення, які можуть виникати в ремінних приводах. По суті, нерухомий механічний елемент забезпечує контроль для точної зупинки та позиціонування.

Кулькові гвинтові двигуни зазвичай добре працюють у системах довжиною до шести метрів за допомогою переривчастих підшипникових опор. На довших осях основна проблема полягає в тому, що гвинти обертаються на високих швидкостях, особливо якщо вони не отримують достатньої опори. Це тому, що вали кулькових гвинтів згинаються під власною вагою. Потім, на критичній швидкості (функція діаметра вала гвинта, прямолінійності, вирівнювання та довжини без опори), рух збуджує власну частоту вала. Тому максимальна швидкість зменшується зі збільшенням довжини кулькового гвинта.

У деяких системах використовуються блоки підшипників, які розділяються та складаються разом, а потім залишаються та підтримують гвинт для тривалішого висування без хлистового зчеплення. Однак для наддовгих доріжок з кульковими гвинтами виробники повинні з'єднувати кілька гвинтів (зазвичай за допомогою клею, а не зварювання, щоб уникнути деформованої геометрії). В іншому випадку гвинт повинен мати надвеликий діаметр, щоб вирішити проблему хлистового зчеплення. Хід деяких таких установок на основі кулькових гвинтів досягає 10 метрів і досягає 4000 об/хв. Ще одне застереження: гвинти в робототехнічних доріжках потребують захисту від бруду та сміття. Однак там, де вони працюють, RTU, що використовують електродвигуни в парі з кульковими гвинтами, витримують більші навантаження, ніж осі з ремінним приводом.

Також існують гідроприводи для довгохідних установок. Такі пневматичні RTU зазвичай є недорогим рішенням для застосувань, яким потрібне лише двостороннє позиціонування вперед і назад. Середні пропозиції забезпечують швидкість 2 м/с та інтегруються з іншими системами керування роботами.

Лінійні двигуни для прецизійних RTU
Довгохідні RTU (наприклад, для використання в лабораторній робототехніці) можуть використовувати лінійні двигуни. Більшість таких RTU також включають найсучаснішу електроніку, абсолютні енкодери та засоби керування рухом для відстеження осей, навіть після помилок або зупинок.

Типовіший радіус дії лінійного двигуна становить близько чотирьох метрів. Такий радіус дії більше підходить для встановлення та роботи з напівпровідниковими пластинами, ніж для важчих RTU-пристроїв. Коротше кажучи, лінійні двигуни в RTU є особливо складними, оскільки вони забезпечують механічну точність, але повинні перевозити важкі корисні навантаження. Це вимагає більшої кількості дорогих постійних магнітів, які забезпечують таку високу роботу лінійних двигунів.

Є винятки. Один рекордний по ходу руху транспортний засіб (RTU) з тандемними лінійними приводами був введений в експлуатацію та виготовлений на замовлення для автоматизованої установки, що потребує точного переміщення до 12 м. Жорсткі алюмінієві опорні рейки працюють з двома шестирядними лінійними рециркуляційними кульковими підшипниками та напрямними вузлами. Двохпазові синхронні лінійні двигуни з вихідним зусиллям до 4200 Н.

Комплекти рейкових передач для RTU
Найпоширенішими є комерційно доступні дистанційні перемикачі (RTU), що використовують рейково-шестеренчасті системи. Типова довжина сягає 15 метрів. Керування лінійним блоком інтегровано як математично пов'язана вісь у контролері робота, що усуває потребу в додатковому контролері. Багато таких RTU підтримують точність навіть до ходу 30 метрів завдяки поєднанню безщіткового серводвигуна змінного струму та планетарного редуктора зі шліфованими гвинтовими рейково-шестеренчастими системами. В інших схемах використовується каретка, яка рухається по однокроковій рейці на важких роликах у блоці. Тут рейки зазвичай прямокутні з рейкою, вирізаною на внутрішньому краю. Вони можуть з'єднуватися за допомогою криволінійних сегментів, де це зручно.

Деякі дистанційні пересувні пристрої (RTU), що переміщують робота по рухомій платформі, використовують плоскі рейки із загартованої сталі та поєднують їх із групами кулачкових штовхачів. Інші використовують електродвигун із гвинтовим конічним редуктором та ременем для живлення платформи. Потім на довгій осі човника RTU має електродвигун-редуктор, що приводить у рух шестерню, що входить у зачеплення з рейкою.

Моделювання та програмування RTU
Існують інструменти, які дозволяють інженерам планувати шляхи руху дистанційних пристроїв (RTU) та координувати їх з функціями робота. Програмне забезпечення для моделювання роботів і навіть деякі модулі контролерів руху дозволяють інженерам планувати шляхи, завантажувати отримане програмне забезпечення на контролер, а потім керувати роботом і RTU за допомогою цього одного апаратного забезпечення.

Іншим варіантом є програмне забезпечення від спеціалізованих програмних компаній, що продають комплекти для розробки роботів, що дозволяють програмувати майже будь-яку марку роботів через API. Ці та безліч інших програмних інструментів роблять налаштування робота простішим, ніж будь-коли, особливо для команд з помірним досвідом керування рухом або ЧПК. Початкові ітерації проектування зазвичай відбуваються за допомогою автономного програмування на ПК. Потім, коли персонал встановлює робота та RTU, програмне забезпечення створює код, який завантажується в елементи керування. Програмне забезпечення керує RTU та роботом запрограмованими шляхами для перевірки на наявність проблем. Далі установник використовує підвісний пульт, щоб позиціонувати захоплення, різак або кінцевий ефектор робота в певні для завдання точки в просторі, поки контролер записує рухи. В іншому випадку установники можуть використовувати підвісний пульт для всієї установки, а потім полірувати траєкторії на серверній частині — дедалі поширеніший підхід.

Застереження: RTU ускладнюють калібрування робота
Після фізичного налаштування, дистанційні пристрої (RTU) та роботи потребують калібрування. Проблема полягає в тому, що промислові роботи, поєднані з RTU, часто здійснюють повторювані, але неточні рухи, тому вихідний рух відрізняється від наближень симуляції. Одні лише промислові роботи в середньому мають однонаправлену повторюваність від 0,1 мм до 0,01 мм. Типові осі об'єднують редуктор і двигун з нульовим люфтом, а контролер відстежує їх усі за допомогою високороздільних енкодерів. Подальше підвищення точності вихідного руху стає дорогим, оскільки вузли та компоненти, такі як зубчасті передачі, призводять до втрати руху (здебільшого через механічну податливість). Тому елементи керування часто повинні компенсувати похибку положення в деяких випадках у міліметровому масштабі.

Традиційне калібрування роботів використовує дороге лазерне вирівнювання. Іноді це може зменшити похибку виходу в двадцять разів. В іншому випадку виробники роботів пропонують заводське калібрування. Спеціалізовані компанії з калібрування роботів також пропонують послуги, які можуть враховувати вплив доданого RTU на загальну точність виходу робота. В іншому випадку, датчики з двома камерами дозволяють проводити зондову перевірку та динамічні вимірювання за допомогою оптики та спеціального освітлення. Механічні режими калібрування є ще одним варіантом, хоча їх важче застосовувати до роботів на довгих трасах.