Roboterpositionierungssysteme sind lange Schienen in Lager-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilanlagen, damit ein Roboter mehrere Aufgaben ausführen kann. Diese Bewegungskonstruktionen, auch Robotertransfereinheiten oder RTUs oder 7.-Achsen-Systeme genannt, werden immer häufiger für Montage, Großschweißen und Lagerhaltung eingesetzt.

Im Gegensatz zu typischen Aufbauten, bei denen ein Roboter mit dem Boden verschraubt ist, bewegen RTUs Roboter durch Arbeitszellen und Fabriken und pendeln sie zwischen Stationen. Die besten Konfigurationen für RTUs sind diejenigen, die gerade erst gebaut werden oder bei denen Prozesse und zugehörige Maschinen direkt hintereinander angeordnet werden können. Wenn RTUs sechsachsige Roboter bewegen, werden die linearen Schienen manchmal auch als siebte Achse bezeichnet (oder seltener als achte Achse, wenn der Roboter selbst sieben Freiheitsgrade hat). Wenn diese Schienen Teil eines Rahmens sind, einschließlich der Rahmen, an denen der Roboter hängt, handelt es sich um Portale.

Unabhängig vom Roboter oder der Schienenmorphologie besteht der Zweck der zusätzlichen Achse darin, eine translatorische Bewegung hinzuzufügen. Dies erweitert entweder den Arbeitsraum oder ermöglicht den Transport von Werkstücken oder Werkzeugen durch einen Roboter. In einigen Fällen ermöglicht Ersteres einem Roboter die Bedienung mehrerer Maschinen, die Kommissionierung von Paletten aus Reihen oder die Bearbeitung sehr großer Komponenten. Für letztere sind häufige Anwendungen das Verpacken, Schweißen, Plasmaschneiden und andere mechanische Aufgaben.

Hier konzentrieren wir uns auf Antriebsoptionen für RTUs. Beachten Sie jedoch, dass sich Ingenieure auch zwischen einer Reihe von Führungen und Lagern (normalerweise in Form von Kurvenrollen oder Profilführungen) entscheiden müssen.

Design- und Antriebsoptionen für RTUs gibt es in Hülle und Fülle
Obwohl einige Portale über einen Rahmen verfügen, um Roboter umzudrehen und aufzuhängen, um einen besseren Zugang zu Maschinen von oben zu ermöglichen, sind RTUs, die mit dem Boden verschraubt sind und den Roboter aufrecht ausrichten, am häufigsten. Diese RTUs haben im Durchschnitt höhere Nutzlasten und tragen Roboterarme und greifende Lasten mit einem Gewicht von mehreren Tausend Pfund.

Ingenieure können vorgefertigte RTUs kaufen oder RTUs selbst bauen und dabei ihr Know-how im Bereich Bewegungssysteme nutzen. Am einfachsten sind lineare Schienenpaare, die Plattformen tragen, an denen der Roboter angeschraubt wird. Viele OEMs engagieren jedoch dedizierte Integratoren für Situationen, in denen Roboter auf RTUs hochpräzise Arbeiten ausführen – beispielsweise eine Schneidaufgabe (bei der die Konstruktion die Bewegung mehrerer Achsen synchronisieren muss) oder den Transport von Gussteilen durch verschiedene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Robotertransfereinheiten besteht darin, sie so zu programmieren, dass sie sich mit der Artikulation der Roboterarme synchronisieren, die sie tragen. Die zweitgrößte Herausforderung besteht darin, RTUs dazu zu bringen, über viele Meter hinweg eine genaue lineare Bewegung aufrechtzuerhalten.

Erfüllung der körperlichen Voraussetzungen für lange Schläge
Manchmal ist Geschwindigkeit das oberste RTU-Designziel. Dies gilt insbesondere dann, wenn RTUs Roboter in Spezialkonfigurationen über mehrere hundert Fuß oder sogar mehr befördern. Hohe Geschwindigkeit im Zusammenhang mit der Bewegung von Robotern – manchmal Tausende von Pfund schweren Armen plus ihrer Nutzlast – ist relativ. Einige RTUs können sich jedoch mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 Fuß/Sekunde und einer Beschleunigung von bis zu einem g bewegen.

Aber oft ist Genauigkeit das oberste Ziel des RTU-Designs. Stellen Sie sich beispielsweise eine Anwendung vor, bei der ein Roboter einer kooperativen Arbeitszelle bei der Bearbeitung hilft. Hier sind Schnelligkeit und die Erweiterung des Roboterarbeitsbereichs nur dann sinnvoll, wenn das umgebende Gerüst die Genauigkeit gewährleisten kann. Solche Konstruktionen erfordern häufig eine Genauigkeit von 0,02 mm und eine Positionierungswiederholgenauigkeit von etwa 0,2 mm während der Gleisbewegungen.

Wenn hingegen eine Anwendung einen Roboterarm für Anwendungen verwendet, die adaptive Steuerungen auf Herz und Nieren prüfen, aber weniger auf absolute Präzision angewiesen sind, könnten andere Setups funktionieren. Dies kann sogar in Form eines mobilen Fahrzeugs geschehen, das mit einem Roboterarm ausgestattet ist – beispielsweise zum Entladen von Schiffscontainern.

Unabhängig vom Design sind geringer Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer für alle RTU-Setups von entscheidender Bedeutung, da sie normalerweise mit mehr als einer Anlagenfunktion und mehreren anderen Maschinenteilen verbunden sind. Daher führen RTU-Ausfälle häufig dazu, dass andere Stationen außer Betrieb sind.

Integrierte Sicherheit ist auch deshalb wichtig, weil viele RTUs Roboter durch Felder bewegen, auf denen sich teure Geräte wie Werkzeugmaschinen oder sogar Arbeiter befinden – insbesondere dort, wo sie in der Nähe von Zonen mit Montagepersonal arbeiten.

Riemen, Schrauben und Pneumatik für RTUs
Roboterportale, die mittlere lineare Distanzen zurücklegen, verwenden häufig Motoren gepaart mit Riemenantrieben. Hierbei handelt es sich um relativ einfache Systeme, die mit elektromotorisch angetriebenen Riemenscheiben Spannung entlang eines Riemens erzeugen und ihn schnell beschleunigen. Bei längeren Hüben kann es jedoch zu Problemen mit dem Durchhängen der Riemen kommen, wenn das System die Spannung nicht über die gesamte Länge aufrechterhalten kann. Um es klarzustellen: Das Problem ist nicht die Nutzlastbeschränkung. Vielmehr besteht die Gefahr eines Bewegungsverlusts aufgrund der Riemennachgiebigkeit.

Es gibt Ausnahmen von der Einschränkung der Skalierbarkeit. In einigen RTUs treiben Riemenachsen (angetrieben von einer gemeinsamen Antriebswelle) harmonische Kurbeln an. Hier können Riemenantriebe unter den richtigen Bedingungen die Genauigkeit für die Langhub-Roboterpositionierung aufrechterhalten. Die meisten erfolgreichen riemengetriebenen RTUs verwenden Rahmen und lineare Schienen in komplementären Ausrichtungen, um eine höhere Präzision aus dem riemengetriebenen Aufbau zu erzielen. Einige dieser RTUs mit riemengetriebenen Schienenaktuatoren können eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,001 Zoll einhalten, selbst wenn sie eine Tonne schwere Roboter über mehrere Dutzend Fuß bewegen. Hier sorgen riemengetriebene Aktuatoren (dank der richtigen Schienen) für RTUs, die günstiger und flexibler sind als Alternativen.

Eine weitere Option für die siebte Achse ist eine kugelumlaufgetriebene Achse. Dieser Aufbau befasst sich mit Vibrationen und Federungen, die bei Riemenantrieben auftreten können. Im Wesentlichen übernimmt ein festes mechanisches Element die Steuerung für präzises Anhalten und Positionieren.

Kugelumlaufspindeln funktionieren im Allgemeinen gut in Aufbauten bis zu einer Länge von etwa sechs Metern mit Hilfe von intermittierenden Lagerstützen. Bei längeren Achsen besteht das Hauptproblem darin, dass Schrauben bei hohen Geschwindigkeiten peitschen, insbesondere wenn sie nicht ausreichend Unterstützung erhalten. Das liegt daran, dass sich Kugelumlaufspindelwellen unter ihrem Eigengewicht verbiegen. Bei einer kritischen Geschwindigkeit (eine Funktion des Schraubenwellendurchmessers, der Geradheit, der Ausrichtung und der nicht unterstützten Länge) erregt die Bewegung dann die Eigenfrequenz der Welle. Die Höchstgeschwindigkeit sinkt also mit zunehmender Länge der Kugelumlaufspindel.

Einige Aufbauten verwenden Lagerblöcke, die sich trennen und zusammenklappen lassen – und dann bleiben und die Schraube stützen, um ein längeres, peitschenfreies Ausfahren zu ermöglichen. Allerdings müssen die Hersteller bei besonders langen, von einer Kugelumlaufspindel angetriebenen Schienen mehrere Schrauben miteinander verbinden (in der Regel durch Kleben statt durch Schweißen, um eine verzogene Geometrie zu vermeiden). Andernfalls muss die Schraube einen besonders großen Durchmesser haben, um das Peitschenproblem zu lösen. Die Hübe einiger solcher auf Kugelumlaufspindeln basierenden Anlagen erreichen eine Länge von 10 Metern und erreichen eine Drehzahl von 4.000 U/min. Ein weiterer Vorbehalt: Schrauben in Roboterschienen müssen vor Schmutz und Ablagerungen geschützt werden. Wo sie eingesetzt werden, bewältigen RTUs mit Elektromotoren gepaart mit Kugelumlaufspindeln jedoch größere Lasten als riemengetriebene Achsen.

Es gibt auch Fluidtechnik für Langhubaufbauten. Solche pneumatischen RTUs sind normalerweise eine kostengünstige Lösung für Anwendungen, die nur eine Hin- und Her-Positionierung mit zwei Stopps erfordern. Durchschnittliche Angebote bewegen sich mit 2 m/Sek. und lassen sich in andere Robotersteuerungen integrieren.

Linearmotoren für Präzisions-RTUs
Langhub-RTUs (zum Beispiel für den Einsatz in der Laborrobotik) können Linearmotorantriebe verwenden. Die meisten dieser RTUs verfügen außerdem über modernste Elektronik, Absolutwertgeber und Bewegungssteuerung für die Nachführung von Achsen, auch nach Fehlern oder Abschaltungen.

Die typischere Reichweite eines Linearmotors beträgt etwa vier Meter. Eine solche Reichweite eignet sich besser für Pick-and-Place und die Handhabung von Halbleiterwafern als für schwerere RTU-Anwendungen. Kurz gesagt, Linearmotoren in RTUs stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie zwar eine hohe mechanische Genauigkeit bieten, aber hohe Nutzlasten tragen müssen. Dies erfordert mehr der teuren Permanentmagnete, die die Leistung von Linearmotoren so gut ausmachen.

Es gibt Ausnahmen. Eine Weltrekord-RTU mit Tandem-Linearaktuatoren wurde in Betrieb genommen und speziell für einen Automatisierungsaufbau gebaut, der Präzisionsbewegungen bis zu 12 m erfordert. Starre Aluminium-Tragschienen arbeiten mit zwei sechsreihigen Kugelumlauflagern und Führungsschienen. Zwei geschlitzte Synchronlinearmotoren geben eine Kraft von bis zu 4.200 N ab.

Zahnstangensätze für RTUs
Am gebräuchlichsten sind im Handel erhältliche RTUs mit Zahnstangen-Ritzel-Sets. Typische Längen erreichen 15 Meter. Die Steuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert, wodurch eine zusätzliche Steuerung entfällt. Viele dieser RTUs behalten ihre Genauigkeit auch bei Hüben von 30 Metern bei, indem sie einen bürstenlosen AC-Servomotor und ein Planetengetriebe mit geschliffenen, schrägverzahnten Zahnstangensätzen kombinieren. Bei anderen Aufbauten wird ein Schlitten verwendet, der sich auf Hochleistungsrollen in einem Block über eine einseitige Schiene bewegt. Dabei handelt es sich meist um rechteckige Schienen mit einer an der Innenkante eingeschnittenen Zahnstange. Diese können mit gekrümmten Segmenten verbunden werden, wenn dies ein hilfreiches Layout ist.

Einige RTUs, die den Roboter auf der Fahrplattform bewegen, verwenden flache Schienen aus gehärtetem Stahl und kombinieren diese mit Nockenfolgergruppen. Andere verwenden einen Elektromotor mit einem Schrägstirnradgetriebe und einem Riemen, um die Plattform anzutreiben. Auf der langen Shuttle-Achse verfügt die RTU über einen elektrischen Getriebemotor, der ein Ritzel antreibt, das in eine Zahnstange eingreift.

Simulation und Programmierung von RTUs
Es gibt Tools, mit denen Ingenieure die Pfade von RTUs planen und diese mit den Roboterfunktionen koordinieren können. Robotersimulationssoftware und sogar einige Motion-Controller-Module ermöglichen es Ingenieuren, Strecken zu planen, die resultierende Software auf einen Controller zu laden und dann den Roboter und die RTU mit dieser einen Hardware zu steuern.

Eine weitere Option ist Software von spezialisierten Softwareunternehmen, die Roboterentwicklungskits verkaufen, die die Programmierung fast aller Robotermarken über APIs ermöglichen. Diese und unzählige andere Softwaretools machen die Robotereinrichtung einfacher als je zuvor, insbesondere für Teams mit mäßiger Bewegungssteuerungs- oder CNC-Erfahrung. Erste Entwurfsiterationen erfolgen normalerweise durch Offline-PC-Programmierung. Wenn das Personal dann den Roboter und die RTU installiert, erzeugt die Programmiersoftware Code, der auf die Steuerungen geladen wird. Die Software steuert die RTU und den Roboter durch programmierte Pfade, um sie auf Probleme zu testen. Als Nächstes positioniert der Installateur den Greifer, die Schneidevorrichtung oder den Endeffektor des Roboters mit einem Handbediengerät an auftragsspezifischen Punkten im Raum, während die Steuerung die Bewegungen aufzeichnet. Andernfalls können Installateure ein Pendant für die gesamte Einrichtung verwenden und dann die Trajektorien im Backend polieren – ein zunehmend gängiger Ansatz.

Vorsichtsmaßnahme: RTUs erschweren die Roboterkalibrierung
Nach der physischen Einrichtung müssen RTUs und Roboter kalibriert werden. Der Haken daran ist, dass Industrieroboter in Kombination mit RTUs häufig wiederholbare, aber nicht genaue Bewegungen ausführen und so eine Ausgangsbewegung liefern, die von den Simulationsannäherungen abweicht. Allein Industrieroboter erreichen eine durchschnittliche unidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm bis 0,01 mm. Typische Achsen verfügen über ein spielfreies Getriebe und einen Motor, und eine Steuerung verfolgt sie alle mit hochauflösenden Encodern. Eine weitere Steigerung der Ausgangsbewegungsgenauigkeit wird kostspieliger, da Baugruppen und Komponenten wie Getriebe zu Bewegungsverlusten führen (hauptsächlich aufgrund mechanischer Nachgiebigkeit). Daher müssen Steuerungen oft Positionsfehler im Millimeterbereich ausgleichen.

Bei der herkömmlichen Roboterkalibrierung kommt eine kostspielige Laserausrichtung zum Einsatz. Manchmal kann dies den Ausgabefehler um das Zwanzigfache verringern. Ansonsten bieten Roboterhersteller eine Werkskalibrierung an. Spezielle Roboterkalibrierungsunternehmen bieten auch Dienstleistungen an, die die Auswirkung einer zusätzlichen RTU auf die gesamte Roboterpräzisionsleistung berücksichtigen können. Ansonsten ermöglichen Dual-Kamera-Sensoren eine Sondierungsprüfung und dynamische Messung mittels Optik und spezieller Beleuchtung. Mechanische Kalibrierungsmodi sind eine weitere Option, obwohl sie bei Robotern auf langen Gleisen schwieriger anzuwenden sind.