Die Entwicklung umfassender Automatisierungslösungen für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben für Motion-Engineering-Ingenieure. Da Robotersysteme immer komplexer werden und die Produktionsraten immer höher werden, müssen Systementwickler mit den neuesten Technologien Schritt halten, um nicht das Risiko eines nicht optimalen Designs einzugehen. Wir stellen einige der neuesten verfügbaren Technologien und Komponenten vor und untersuchen deren Einsatzmöglichkeiten.

Roboterarme eignen sich für kompakte Designs

Industrieroboterarme sind nicht gerade für ihre Leichtfüßigkeit bekannt. Die meisten verfügen vielmehr über massive Konstruktionen, die schwere Greifwerkzeuge tragen müssen. Trotz der Vorteile einer robusten Konstruktion sind diese Roboterarme für anspruchsvolle Anwendungen zu schwer und sperrig. Um wendigere Arme für leichte Aufgaben besser geeignet zu machen, entwickelten Ingenieure der igus Inc. aus Köln ein Mehrachsengelenk, mit dem kleine Lasten um einen Ausleger schwenken können. Das neue Gelenk eignet sich hervorragend für anspruchsvolle Pick-and-Place-Anwendungen, bei denen die Greifkraft bedarfsgerecht angepasst werden kann.

Flexibilität und geringes Gewicht sind die wichtigsten Designparameter des neuen Gelenks, das aus Kunststoff und Seilzügen besteht. Kurz gesagt: Die Seilzüge werden vom Schultergelenk des Arms durch kompakte bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren von FAULHABER bewegt. Dies verhindert Trägheit im Arm, ermöglicht dynamische Bewegungen und minimiert den Platzbedarf.

Die Ingenieure orientierten sich bei ihrer Konstruktion weitgehend am menschlichen Ellenbogengelenk, sodass zwei Freiheitsgrade – Dreh- und Schwenkfunktion – in einem einzigen Gelenk vereint sind. Ähnlich wie beim menschlichen Arm sind nicht die Knochen (das Körperrohr des Roboterarms) oder die Muskeln (der Antriebsmotor) die schwächsten Teile des Roboterarms, sondern die Sehnen, die die Kraft übertragen. Die Hochspannungs-Steuerkabel bestehen aus extrem widerstandsfähigem UHMW-PE-Polyethylen mit einer Zugfestigkeit von 3.000 bis 4.000 N/mm². Neben traditionellen Roboterarmfunktionen wie Pick-and-Place-Anwendungen eignet sich das Gelenk auch hervorragend für spezielle Kamerahalterungen, Sensoren oder andere Werkzeuge, bei denen Leichtbauweise erforderlich ist. Für hohe Präzision ist in jedes Gelenk ein magnetischer Winkelpositionssensor integriert.

Die elektronisch kommutierten Servomotoren zeichnen sich durch eine geringe bewegte Masse aus, die für den dynamischen Einsatz geeignet ist: Die 24-V-DC-Betriebsspannung ist auf Batteriebetrieb ausgelegt, was für den Einsatz in mobilen Anwendungen entscheidend ist. Das Motordrehmoment von 97 mNm erhöht die durchmesserkompatibel dimensionierten Planetengetriebe auf die für den Armbetrieb erforderlichen Werte. Darüber hinaus verfügen diese bürstenlosen Antriebe über keine Verschleißteile außer der Rotorlagerung, was eine Lebensdauer von Zehntausenden von Stunden gewährleistet.

Linearbewegungssystem beschleunigt Laborautomatisierung

Über traditionelle Verpackungs- und Montagevorgänge hinaus gewinnt Pick-and-Place auch in der Hochgeschwindigkeits-Laborautomatisierung zunehmend an Bedeutung. Stellen Sie sich vor, täglich Millionen von Bakterienproben zu verarbeiten, und Sie haben eine Vorstellung davon, was in modernen Biotech-Laboren alles zu leisten ist. In einem Beispiel ermöglicht ein fortschrittliches Linearbewegungssystem dem Biotech-Laborroboter RoToR, Zellarrays mit einer Rekordgeschwindigkeit von über 200.000 Proben pro Stunde zu fixieren. RoToR stammt von Singer Instruments aus Somerset, Großbritannien, und wird als Tischautomatisierungssystem in der Gen-, Genom- und Krebsforschung eingesetzt. Ein solcher Roboter bedient oft mehrere Labore, wobei Wissenschaftler kurze Zeitfenster für die Replikation, Paarung, Neuanordnung und Sicherung von Bakterien- und Hefebibliotheken reservieren.

Ein Echtzeit-Controller steuert die drei Bewegungsachsen, die die Punkt-zu-Punkt-Pinning-Bewegungen des Roboters koordinieren, sowie eine Achse zur Probenhandhabung und ist mit der grafischen Benutzeroberfläche des Roboters verbunden. Darüber hinaus verwaltet der Controller alle E/A-Kanäle.

Neben der Steuerung lieferte Baldor auch einen linearen Servomotor samt Antrieb sowie drei integrierte Schrittmotor- und Antriebsmodule. Der Roboter führt Punkt-zu-Punkt-Transfers von der Ausgangs- zur Zielplatte entlang einer linearen Servomotorachse durch, die über die gesamte Maschinenbreite verläuft. Diese Achse trägt einen zweiachsigen Schrittmotorkopf, der die Pinning-Funktion steuert. Die kombinierte XYZ-Bewegung kann Proben mithilfe einer komplexen Spiralbewegung sogar aufrühren. Die separate Schrittmotorachse steuert den Lademechanismus der Pinköpfe. Pneumatische Greifer und Drehvorrichtungen steuern weitere Maschinenbewegungen, wie beispielsweise das Aufnehmen und Entsorgen der Pinköpfe zu Beginn und am Ende von Operationen.

Singer plante ursprünglich einen pneumatischen Antrieb für die Hauptquerachse. Dieses Design lieferte jedoch nicht die gewünschte Positionierauflösung und -geschwindigkeit und war für eine Laborumgebung zu laut. Daher begannen die Ingenieure, Linearmotoren in Betracht zu ziehen. Baldor entwickelte einen maßgeschneiderten bürstenlosen Linearservomotor mit mechanischen Modifikationen an der Linearführung. Dadurch wird die Führung nur an den Enden und nicht entlang der Länge gehalten. Der Motortreiber fungiert somit als X-Achsen-Portal, das die Y- und Z-Achse trägt. Schließlich minimiert das Magnetdesign des Linearmotors das Rastmoment und ermöglicht so eine gleichmäßige Bewegung.