Die Entwicklung umfassender Automatisierungslösungen für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben für Motion-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 Einsatzgebiete.

Roboterarme eignen sich für kompakte Designs

Industrieroboterarme sind in der Regel nicht gerade für ihre Leichtfüßigkeit bekannt. Vielmehr verfügen die meisten über massive Konstruktionen, die schwere Werkzeuge am Arm tragen müssen. Trotz der Vorteile einer robusten Konstruktion sind diese Roboterarme für anspruchsvolle Anwendungen zu schwer und sperrig. Um wendigere Arme für leichtere 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 für das neue Gelenk, das aus Kunststoff und Kabelsteuerungen besteht. Kurz gesagt: Die Kabel werden vom Schultergelenk des Arms durch kompakte bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren von FAULHABER bewegt. Dies verhindert Trägheit im Arm, erleichtert dynamische Bewegungen und minimiert den Platzbedarf.

Die Ingenieure orientierten sich bei ihrer Konstruktion weitgehend am menschlichen Ellenbogengelenk, sodass zwei Freiheitsgrade – Drehen und Schwenken – 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 einem superfesten UHMW-PE-Polyethylenmaterial mit einer Zugfestigkeit von 3.000 bis 4.000 N/mm2. Über traditionelle Roboterarmfunktionen wie Pick-and-Place-Anwendungen hinaus eignet sich das Gelenk auch gut für spezielle Kamerahalterungen, Sensoren oder andere Werkzeuge, bei denen Leichtbau 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 Betriebsspannung von 24 Vdc ist auf Batteriebetrieb ausgelegt, was für den Einsatz in mobilen Anwendungen entscheidend ist, während das Motordrehmoment von 97 mNm die durchmessergerechten Planetengetriebe auf die für den Armbetrieb erforderlichen Werte anhebt. Darüber hinaus verfügen diese bürstenlosen Antriebe über keine Verschleißteile außer der Rotorlagerung, was eine Lebensdauer von Zehntausenden von Stunden gewährleistet.

Lineares Bewegungssystem beschleunigt die Laborautomatisierung

Neben den traditionellen Verpackungs- und Montagevorgängen gewinnt Pick-and-Place auch in der Hochgeschwindigkeits-Laborautomatisierung zunehmend an Bedeutung. Stellen Sie sich vor, Sie müssten täglich Millionen von Bakterienproben manipulieren, und Sie bekommen eine Vorstellung davon, was in modernen Biotech-Laboren alles möglich ist. In einem dieser Aufbauten 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. Einer dieser Roboter bedient oft mehrere Labore, wobei die 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 zudem mit der grafischen Benutzeroberfläche des Roboters verbunden. Darüber hinaus verwaltet der Controller auch 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 Quell- zu Zielplatten entlang einer linearen Servomotorachse durch, die über die gesamte Maschinenbreite verläuft. Diese Achse trägt einen zweiachsigen Schrittmotorkopf, der die Pinning-Aktion 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.

Ursprünglich hatte Singer einen pneumatischen Antrieb für die Hauptquerachse vorgesehen. Dieses Design konnte jedoch nicht die gewünschte Positionierauflösung oder -geschwindigkeit liefern und war für eine Laborumgebung zu laut. Daher begannen die Ingenieure, über Linearmotoren nachzudenken. Baldor entwickelte einen maßgeschneiderten bürstenlosen Linearservomotor mit mechanischen Modifikationen an der Linearführung, sodass diese nur an den Enden und nicht entlang der Länge gelagert wird. Der Antrieb des Motors 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.