Die Entwicklung umfassender Automatisierungssysteme für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen zählt zu den anspruchsvollsten Aufgaben von Bewegungsingenieuren. Angesichts zunehmend komplexer Robotersysteme und stetig steigender Produktionsraten müssen Systementwickler mit den neuesten Technologien Schritt halten, um nicht Gefahr zu laufen, ein suboptimales Design zu spezifizieren. Im Folgenden werden einige der aktuellsten Technologien und Komponenten sowie deren Anwendungsbereiche näher betrachtet.

Roboterarme eignen sich für kompakte Bauweisen

Industrieroboterarme sind im Allgemeinen nicht für ihre Wendigkeit bekannt. Vielmehr weisen die meisten eine massive Konstruktion auf, die schwere Werkzeuge am Arm tragen muss. Trotz der Vorteile einer robusten Bauweise sind diese Roboterarme für filigrane Anwendungen zu schwer und unhandlich. Um wendigere Arme für leichtere Aufgaben zu entwickeln, machten sich die Ingenieure von igus Inc. in Köln daran, ein Mehrachsengelenk zu entwickeln, das es kleinen Lasten ermöglicht, sich um einen Ausleger zu drehen. Das neue Gelenk eignet sich hervorragend für präzise Pick-and-Place-Anwendungen, bei denen die Greifkraft bedarfsgerecht angepasst werden kann.

Flexibilität und geringes Gewicht sind zentrale Designparameter für das neue Gelenk, das aus Kunststoff und Kabelsteuerung besteht. Konkret werden die Kabel vom Schultergelenk des Arms über kompakte, bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren von FAULHABER bewegt. Dies verhindert Trägheit im Arm, ermöglicht dynamische Bewegungen und minimiert den Platzbedarf.

Die Ingenieure orientierten sich bei der Konstruktion weitgehend am menschlichen Ellbogengelenk, wodurch zwei Freiheitsgrade – Rotation und Drehung – in einem einzigen Gelenk vereint wurden. Ähnlich wie beim menschlichen Arm sind die schwächsten Stellen des Roboterarms nicht die Knochen (das Körperrohr) oder die Muskeln (der Antriebsmotor), sondern die Sehnen, die die Kraft übertragen. Die hochfesten Steuerkabel bestehen aus einem extrem widerstandsfähigen UHMW-PE-Polyethylen mit einer Zugfestigkeit von 3.000 bis 4.000 N/mm². Neben den üblichen Roboterarmfunktionen wie Pick-and-Place-Anwendungen eignet sich das Gelenk auch hervorragend für spezielle Kamerahalterungen, Sensoren oder andere Werkzeuge, bei denen eine leichte Bauweise erforderlich ist. Für höchste Präzision ist in jedes Gelenk ein magnetischer Winkelpositionssensor integriert.

Die elektronisch kommutierten Servomotoren zeichnen sich durch eine geringe bewegte Masse aus und eignen sich daher für dynamische Anwendungen: Die Betriebsspannung von 24 V DC ist für den Batteriebetrieb ausgelegt und somit entscheidend für mobile Anwendungen. Das Motordrehmoment von 97 mNm treibt die durchmesserangepassten Planetengetriebe auf die für den Armbetrieb erforderlichen Werte an. Darüber hinaus verfügen diese bürstenlosen Antriebe außer dem Rotorlager über keine Verschleißteile und gewährleisten so eine Lebensdauer von mehreren zehntausend Betriebsstunden.

Lineare Bewegungssysteme beschleunigen die Laborautomatisierung

Neben traditionellen Verpackungs- und Montageprozessen findet das Pick-and-Place-Verfahren auch in der Hochgeschwindigkeits-Laborautomatisierung immer größere Anwendung. Stellen Sie sich vor, Sie müssten täglich Millionen von Bakterienproben bearbeiten – dann bekommen Sie eine Vorstellung davon, was moderne Biotech-Labore leisten müssen. In einer Anwendung ermöglicht ein fortschrittliches Linearbewegungssystem dem 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 für die Genetik-, Genom- und Krebsforschung eingesetzt. Oftmals ist ein solcher Roboter in mehreren Laboren im Einsatz, 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-Positionierungsbewegungen des Roboters koordinieren, sowie eine Achse zur Probenhandhabung und ist mit der grafischen Benutzeroberfläche des Roboters verbunden. Zusätzlich verwaltet der Controller alle Ein-/Ausgabekanäle.

Neben der Steuerung lieferte Baldor auch einen Linearservomotor mit Antrieb sowie drei integrierte Schrittmotor-Antriebsmodule. Der Roboter führt Punkt-zu-Punkt-Transfers von Quell- zu Zielplatten entlang einer Linearservomotorachse durch, die sich über die gesamte Maschinenbreite erstreckt. Diese Achse trägt einen Zwei-Achs-Schrittmotorkopf, der den Fixiervorgang steuert. Die kombinierte XYZ-Bewegung kann Proben sogar durch eine komplexe Spiralbewegung rühren. Die separate Schrittmotorachse steuert den Lademechanismus der Fixierköpfe. Pneumatische Greifer und Rotatoren steuern weitere Maschinenbewegungen, wie das Aufnehmen und Abwerfen der Fixierköpfe zu Beginn und am Ende der Arbeitsgänge.

Ursprünglich plante Singer, für die Hauptquerachse einen pneumatischen Antrieb zu verwenden. Diese Konstruktion konnte jedoch weder die gewünschte Positioniergenauigkeit noch die erforderliche Geschwindigkeit liefern und war für eine Laborumgebung zu laut. Daraufhin begannen die Ingenieure, Linearmotoren in Betracht zu ziehen. Baldor entwickelte einen kundenspezifischen bürstenlosen Linearservomotor mit mechanischen Modifikationen an der Linearführung. Dadurch wird diese nur an ihren Enden und nicht mehr in Längsrichtung gelagert – der Antrieb des Motors fungiert somit als Portal für die X-Achse, das die Y- und Z-Achse trägt. Die Magnetkonstruktion des Linearmotors minimiert schließlich Rastmomente und ermöglicht so eine gleichmäßige Bewegung.