Roboterpositionierungssysteme sind lange Schienensysteme in Lagerhallen, der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, die es einem Roboter ermöglichen, mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen. Diese Bewegungssysteme, auch Robotertransfereinheiten (RTUs) oder 7-Achsen-Systeme genannt, werden zunehmend in der Montage, beim Schweißen großer Werkstücke und in der Lagerhaltung eingesetzt.

Im Gegensatz zu typischen Systemen, in denen ein Roboter am Boden befestigt ist, bewegen RTUs Roboter durch Arbeitszellen und Fabriken und pendeln sie zwischen Stationen. Die besten Systeme für RTUs sind solche, die gerade erst gebaut werden oder bei denen Prozesse und zugehörige Maschinen in einer geraden Reihe angeordnet werden können. Bei RTUs, die sechsachsige Roboter bewegen, werden die linearen Schienen manchmal auch als siebte Achse bezeichnet (oder seltener, wenn der Roboter selbst sieben Freiheitsgrade hat, als achte Achse). Sind diese Schienen Teil eines Rahmens, einschließlich der Rahmen, an denen der Roboter hängt, spricht man von Portalen.

Unabhängig von der Roboter- oder Bahnmorphologie dient die zusätzliche Achse der Translationsbewegung. Dies erweitert entweder den Arbeitsbereich oder ermöglicht dem Roboter den Transport von Werkstücken oder Werkzeugen. In manchen Konfigurationen ermöglicht ersteres dem Roboter die Bedienung mehrerer Maschinen, das Entnehmen von Paletten aus Reihen oder die Bearbeitung sehr großer Bauteile. Typische Anwendungsgebiete für letzteres sind Verpacken, Schweißen, Plasmaschneiden und andere mechanische Aufgaben.

Hier konzentrieren wir uns auf Antriebsoptionen für RTUs. Beachten Sie jedoch, dass Ingenieure auch zwischen verschiedenen Führungen und Lagern (meist in Form von Kurvenrollen oder Profilführungen) wählen müssen.

Zahlreiche Design- und Antriebsoptionen für RTUs
Obwohl einige Portale über Rahmen verfügen, um Roboter umzudrehen und aufzuhängen, um einen besseren Zugang zu Maschinen von oben zu ermöglichen, sind RTUs, die am Boden verschraubt werden und den Roboter aufrecht ausrichten, am weitesten verbreitet. Diese RTUs haben im Durchschnitt höhere Nutzlasten und können Roboterarme und Greiflasten von mehreren tausend Pfund tragen.

Ingenieure können vorgefertigte RTUs kaufen oder diese mithilfe ihrer Bewegungssystem-Expertise selbst bauen. Die einfachste Variante sind Linearschienenpaare mit Plattformen, an denen der Roboter befestigt wird. Viele OEMs beauftragen jedoch spezialisierte Integratoren für Aufgaben, bei denen Roboter auf RTUs hochpräzise Aufgaben ausführen – beispielsweise Schneidarbeiten (bei denen die Konstruktion die Artikulation mehrerer Achsen synchronisieren muss) oder das Bewegen von Gussteilen durch verschiedene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Roboter-Transfereinheiten besteht darin, sie so zu programmieren, dass sie mit der Artikulation der von ihnen getragenen Roboterarme synchronisiert sind. Die zweitgrößte Herausforderung besteht darin, die RTUs dazu zu bringen, über viele Meter hinweg eine präzise lineare Bewegung aufrechtzuerhalten.

Erfüllung der körperlichen Voraussetzungen für lange Hübe
Manchmal ist Geschwindigkeit das wichtigste Ziel bei der Entwicklung von RTUs. Dies gilt insbesondere, wenn RTUs Roboter in Spezialanwendungen über mehrere hundert Meter oder sogar mehr transportieren. Hohe Geschwindigkeiten sind im Kontext beweglicher Roboter – manchmal mit Armen von mehreren tausend Pfund plus Nutzlast – relativ. Einige RTUs können sich jedoch mit mehr als 3 Metern pro Sekunde und einer Beschleunigung von bis zu einer g bewegen.

Doch oft ist Genauigkeit das oberste Ziel bei der Entwicklung von RTUs. Stellen Sie sich beispielsweise eine Anwendung vor, bei der ein Roboter eine kooperative Arbeitszelle bei der Bearbeitung unterstützt. Hier sind Geschwindigkeit und die Erweiterung des Roboterarbeitsraums nur dann sinnvoll, wenn die umgebende Struktur die Genauigkeit gewährleistet. Solche Konstruktionen erfordern oft eine Genauigkeit von 0,02 mm und eine Positionierwiederholgenauigkeit von ca. 0,2 mm während der Schienenbewegungen.

Wenn hingegen ein Roboterarm für Anwendungen eingesetzt wird, die adaptive Steuerungen auf Herz und Nieren prüfen, aber weniger auf absolute Präzision angewiesen sind, können auch andere Aufbauten funktionieren. Dies kann sogar die Form eines mobilen Fahrzeugs annehmen, das mit einem Roboterarm ausgestattet ist – beispielsweise zum Entladen von Schiffscontainern.

Unabhängig vom Design sind geringer Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer für alle RTU-Systeme entscheidend, da sie in der Regel mit mehreren Anlagenfunktionen und mehreren anderen Maschinen verbunden sind. Daher führen RTU-Ausfälle häufig dazu, dass andere Stationen außer Betrieb gesetzt werden.

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

Riemen, Schrauben und Pneumatik für RTUs
Roboterportale, die mittlere lineare Distanzen zurücklegen, verwenden häufig Motoren in Kombination mit Riemenantrieben. Dabei handelt es sich um relativ einfache Systeme, die mithilfe von elektromotorisch angetriebenen Riemenscheiben Spannung entlang eines Riemens erzeugen und schnell beschleunigen. Bei längeren Hüben kann es jedoch zu Problemen mit durchhängenden Riemen kommen, wenn das System die Spannung nicht über die gesamte Länge aufrechterhalten kann. Um es klarzustellen: Das Problem liegt nicht in der Nutzlastbegrenzung, sondern im Risiko von Totgang durch Nachgiebigkeit des Riemens.

Es gibt Ausnahmen von der Skalierbarkeitsbeschränkung. In manchen RTUs treiben Riemenachsen (angetrieben von einer gemeinsamen Antriebswelle) harmonische Kurbelwellen an. Hier können Riemenantriebe unter den richtigen Bedingungen die Genauigkeit für die Positionierung von Robotern mit großem Hub aufrechterhalten. Die meisten erfolgreichen RTUs mit Riemenantrieb nutzen Rahmen und lineare Schienen in komplementärer Ausrichtung, um die Präzision des Riemenantriebs zu steigern. Einige dieser RTUs mit riemengetriebenen Schienenantrieben erreichen eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,001 Zoll, selbst beim Bewegen von ein Tonnen schweren Robotern über mehrere Meter. Hier sorgen Riemenantriebe (dank der richtigen Schienen) für günstigere und flexiblere RTUs als Alternativen.

Eine weitere Option für die siebte Achse ist eine kugelumlaufgetriebene Achse. Diese Konfiguration reduziert Vibrationen und Federungen, die bei Riemenantrieben auftreten können. Im Wesentlichen sorgt ein festes mechanisches Element für präzises Anhalten und Positionieren.

Kugelumlaufspindeln funktionieren in der Regel gut in Aufbauten bis zu etwa sechs Metern Länge mithilfe von intermittierenden Lagern. Bei längeren Achsen besteht das Hauptproblem darin, dass die Spindeln bei hohen Geschwindigkeiten peitschen, insbesondere wenn sie nicht ausreichend abgestützt sind. Das liegt daran, dass sich Kugelumlaufspindelwellen unter ihrem Eigengewicht verbiegen. Bei kritischer Geschwindigkeit (abhängig von Spindelwellendurchmesser, Geradheit, Ausrichtung und freitragender Länge) regt die Bewegung die Eigenfrequenz der Welle an. Daher sinkt die Maximalgeschwindigkeit mit zunehmender Kugelumlaufspindellänge.

Einige Aufbauten verwenden Lagerblöcke, die sich trennen und zusammenklappen lassen – und dann verbleiben und die Schraube stützen, um ein längeres, peitschenfreies Ausfahren zu ermöglichen. Für extralange Kugelumlaufspindeln müssen Hersteller jedoch mehrere Schrauben miteinander verbinden (normalerweise mit Klebstoff statt Schweißen, um eine verzogene Geometrie zu vermeiden). Andernfalls muss die Schraube einen extra großen Durchmesser aufweisen, um das Peitschenproblem zu lösen. Die Hübe einiger solcher Kugelumlaufspindel-Aufbauten erreichen 10 Meter und erreichen Drehzahlen von bis zu 4.000 U/min. Ein weiterer Vorbehalt: Schrauben in Roboterschienen müssen vor Schmutz und Ablagerungen geschützt werden. Dort, wo sie eingesetzt werden, bewältigen RTUs mit Elektromotoren und Kugelumlaufspindeln jedoch größere Lasten als riemengetriebene Achsen.

Es gibt auch hydraulische Antriebe für Langhub-Konfigurationen. Solche pneumatischen RTUs sind in der Regel eine kostengünstige Lösung für Anwendungen, die lediglich eine Hin- und Her-Positionierung mit zwei Stopps erfordern. Durchschnittliche Modelle bewegen sich mit 2 m/s und lassen sich in andere Robotersteuerungen integrieren.

Linearmotoren für Präzisions-RTUs
Langhub-RTUs (z. B. für den Einsatz in der Laborrobotik) können Linearmotorantriebe nutzen. Die meisten dieser RTUs verfügen zudem über modernste Elektronik, Absolutwertgeber und Bewegungssteuerung zur Nachführung der Achsen, auch nach Fehlern oder Abschaltungen.

Die typische Reichweite eines Linearmotors liegt bei etwa vier Metern. Diese Reichweite eignet sich besser für Pick-and-Place-Anwendungen und die Handhabung von Halbleiterwafern als für schwerere RTU-Anwendungen. Kurz gesagt: Linearmotoren in RTUs stellen eine besondere Herausforderung dar, da sie zwar mechanische Genauigkeit gewährleisten, aber hohe Nutzlasten tragen müssen. Dies erfordert den Einsatz teurer Permanentmagnete, die für die hohe Leistung von Linearmotoren verantwortlich sind.

Es gibt Ausnahmen. Eine Weltrekord-RTU mit Tandem-Linearantrieben wurde für eine Automatisierungsanlage mit Präzisionsbewegungen bis zu 12 m in Auftrag gegeben und maßgeschneidert. Starre Aluminium-Tragschienen arbeiten mit zwei sechsreihigen Kugelumlauflagern und Führungsschienen. Zwei geschlitzte Synchron-Linearmotoren erzeugen eine Kraft von bis zu 4.200 N.

Zahnstangensätze für RTUs
Handelsübliche RTUs mit Zahnstangenantrieben sind am weitesten verbreitet. Typische Längen erreichen bis zu 15 Meter. Die Steuerung der Lineareinheit ist als mathematisch gekoppelte Achse in die Robotersteuerung integriert, wodurch eine zusätzliche Steuerung überflüssig wird. Viele dieser RTUs erreichen selbst bei Hüben von 30 Metern eine hohe Genauigkeit, indem sie einen bürstenlosen AC-Servomotor und ein Planetengetriebe mit geschliffenen, schrägverzahnten Zahnstangenantrieben kombinieren. Andere Aufbauten verwenden einen Schlitten, der auf Hochleistungsrollen in einem Block über eine einseitige Schiene fährt. Die Schienen sind hier meist rechteckig und weisen an der Innenkante eine Zahnstange auf. Diese können, wo sinnvoll, mit gekrümmten Segmenten verbunden werden.

Einige RTUs, die den Roboter auf der Fahrplattform bewegen, verwenden flache Schienen aus gehärtetem Stahl und diese mit Nockenstößeln. Andere nutzen einen Elektromotor mit Kegelradgetriebe und Riemen zum Antrieb der Plattform. 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 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 Roboter und RTU mit dieser einen Hardware zu steuern.

Eine weitere Option ist Software von spezialisierten Softwareunternehmen, die Roboterentwicklungskits verkaufen, mit denen sich Roboter fast aller Marken über APIs programmieren lassen. Diese und unzählige andere Softwaretools machen die Robotereinrichtung einfacher denn je, insbesondere für Teams mit mäßiger Erfahrung in Bewegungssteuerung oder CNC-Steuerung. Erste Designiterationen erfolgen in der Regel durch Offline-PC-Programmierung. Wenn das Personal dann den Roboter und die RTU installiert, erzeugt die Programmiersoftware Code, der auf die Steuerung geladen wird. Die Software steuert die RTU und den Roboter entlang programmierter Pfade, um auf Probleme zu prüfen. Anschließend positioniert der Installateur den Greifer, den Schneider oder den Endeffektor des Roboters mit einem Handgerät an arbeitsspezifischen Punkten im Raum, während die Steuerung die Bewegungen aufzeichnet. Andernfalls können Installateure für die gesamte Einrichtung ein Handgerät verwenden und anschließend die Trajektorien auf dem Backend verfeinern – ein zunehmend gängiger Ansatz.

Vorsichtsmaßnahme: RTUs erschweren die Roboterkalibrierung
Nach der physischen Einrichtung müssen RTUs und Roboter kalibriert werden. Der Haken dabei ist, dass Industrieroboter in Kombination mit RTUs oft wiederholbare, aber ungenaue Bewegungen ausführen und so eine von den Simulationsnäherungen abweichende Ausgangsbewegung erzeugen. Industrieroboter allein weisen eine durchschnittliche unidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm bis 0,01 mm auf. Typische Achsen sind mit einem spielfreien Getriebe und Motor gekoppelt, und eine Steuerung verfolgt sie alle mit hochauflösenden Encodern. Eine weitere Steigerung der Ausgangsbewegungsgenauigkeit ist kostspielig, da Baugruppen und Komponenten wie Getriebe zu Totgang führen (meist aufgrund mechanischer Nachgiebigkeit). Daher müssen Steuerungen Positionsfehler in manchen Fällen im Millimeterbereich kompensieren.

Die herkömmliche Roboterkalibrierung erfolgt mittels kostenintensiver Laserausrichtung. Diese kann den Ausgabefehler manchmal um das Zwanzigfache reduzieren. Alternativ bieten Roboterhersteller eine Werkskalibrierung an. Spezialisierte Roboterkalibrierungsunternehmen bieten zudem Dienstleistungen an, die den Einfluss einer zusätzlichen RTU auf die Gesamtpräzision des Roboters berücksichtigen. Alternativ ermöglichen Dual-Kamera-Sensoren die Sondierungsprüfung und dynamische Messung mittels Optik und Spezialbeleuchtung. Mechanische Kalibrierungsmethoden sind eine weitere Option, sind jedoch bei Robotern auf langen Strecken schwieriger anzuwenden.