Der Entwurf einer umfassenden Automatisierung für Hochgeschwindigkeits-Pick-and-Place-Anwendungen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben für Bewegungsingenieure. Da Robotersysteme immer komplexer werden und die Produktionsraten immer höher steigen, müssen Systementwickler mit den neuesten Technologien Schritt halten, sonst riskieren sie, ein nicht optimales Design zu spezifizieren. Sehen wir uns einige der neuesten verfügbaren Technologien und Komponenten an und werfen wir einen genauen Blick darauf, wo sie Verwendung finden.

Roboterarme eignen sich für kompakte Designs

Industrieroboterarme sind normalerweise nicht dafür bekannt, leichtfüßig zu sein. Vielmehr verfügen die meisten über umfangreiche Konstruktionen, die schwere End-of-Arm-Werkzeuge tragen müssen. Trotz der Vorteile einer robusten Konstruktion sind diese Roboterarme für heikle Anwendungen zu schwer und sperrig. Um flinkere Arme besser für leichte Aufgaben geeignet zu machen, machten sich Ingenieure von igus Inc. aus Köln daran, ein mehrachsiges Gelenk zu entwickeln, mit dem sich kleine Lasten um einen Ausleger drehen lassen. Das neue Gelenk eignet sich gut für heikle Pick-and-Place-Anwendungen, bei denen die Greifkraft nach Bedarf angepasst werden kann.

Flexibilität und geringes Gewicht sind wichtige Konstruktionsparameter für das neue Gelenk, das aus Kunststoff und Seilzügen besteht. Kurz gesagt, die Kabel werden vom Schultergelenk des Arms durch kompakte bürstenlose DC-Servomotoren von FAULHABER bewegt, was Trägheit im Arm verhindert, dynamische Bewegungen erleichtert und den Platzbedarf im Design minimiert.

Die Ingenieure orientierten sich bei ihrer Konstruktion größtenteils am menschlichen Ellenbogengelenk, sodass zwei Freiheitsgrade – Rotation und Schwenkung – in einem einzigen Gelenk kombiniert wurden. Ähnlich wie bei einem menschlichen Arm sind die schwächsten Teile des Roboterarms nicht die Knochen (das Körperrohr des Roboterarms) oder die Muskeln (der Antriebsmotor), sondern die Sehnen, die die Kraft übertragen. Dabei bestehen Hochspannungssteuerleitungen 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 Kamerabefestigungen, Sensoren oder andere Werkzeuge, bei denen eine Leichtbauweise erforderlich ist. Für höchste Präzision ist in jedes Gelenk ein magnetischer Winkelpositionssensor eingebaut.

Die elektronisch kommutierten Servomotoren zeichnen sich durch eine geringe bewegte Masse aus, die für den dynamischen Einsatz geeignet ist: Die Betriebsspannung von 24 V DC ist für den Batteriebetrieb ausgelegt, entscheidend für den Einsatz in mobilen Anwendungen, während das Motordrehmoment von 97 mNm die durchmesserkonformen Planetengetriebe auf die erforderlichen Werte bringt Armbedienung. Darüber hinaus verfügen diese bürstenlosen Antriebe außer der Rotorlagerung über keine Verschleißteile und gewährleisten eine Lebensdauer von mehreren zehntausend Stunden.

Das Linearbewegungssystem beschleunigt die Laborautomatisierung

Über die traditionellen Verpackungs- und Montagevorgänge hinaus verbreitet sich Pick-and-Place auch in der Hochgeschwindigkeits-Laborautomation. Stellen Sie sich vor, Sie manipulieren jeden Tag Millionen von Bakterienproben, und Sie erhalten eine Vorstellung davon, was von heutigen Biotech-Laboren erwartet wird. In einem Aufbau ermöglicht ein fortschrittliches lineares Bewegungssystem einem Biotech-Laborroboter namens RoToR, Zellarrays mit rekordverdächtigen Geschwindigkeiten von mehr als 200.000 Proben pro Stunde zu fixieren. RoToR stammt von Singer Instruments, Somerset, Großbritannien, und wird als Tischautomatisierungssystem für die Gen-, Genom- und Krebsforschung eingesetzt. Einer dieser Roboter bedient oft mehrere verschiedene Labore, wobei Wissenschaftler kurze Zeitfenster für die Replikation, Paarung, Neuanordnung und Sicherung von Bakterien- und Hefebibliotheken reservieren.

Ein Echtzeit-Controller verwaltet die drei Bewegungsachsen, die die Punkt-zu-Punkt-Pinning-Bewegungen des Roboters koordinieren, sowie eine Probenhandhabungsachse und ist außerdem mit der GUI des Roboters verbunden. Darüber hinaus verwaltet der Controller auch alle I/O-Kanäle.

Neben der Steuerung lieferte Baldor auch einen linearen Servomotor und Antrieb sowie drei integrierte Schrittmotor- und Antriebsmodule. Der Roboter führt Punkt-zu-Punkt-Transfers von Quell- zu Zielplatten entlang einer linearen Servomotorachse durch, die entlang der Breite der Maschine verläuft. Diese Achse unterstützt einen zweiachsigen Schrittmotorkopf, der den Pinning-Vorgang steuert. Tatsächlich kann die kombinierte XYZ-Bewegung sogar Proben mithilfe einer komplexen Spiralbewegung bewegen. Die separate Schrittmotorachse steuert den Lademechanismus der Stecknadelköpfe. Pneumatische Greifer und Rotatoren steuern andere Maschinenbewegungen, beispielsweise die Aufnahme und Entsorgung von Stecknadelköpfen zu Beginn und am Ende von Arbeitsgängen.

Singer hatte ursprünglich vor, einen pneumatischen Antrieb für die Hauptquerachse zu verwenden, aber dieser Entwurf konnte nicht die gewünschte Positionierungsauflösung oder -geschwindigkeit liefern und war für eine Laborumgebung zu laut. Damals begannen die Ingenieure, über Linearmotoren nachzudenken. Baldor hat einen maßgeschneiderten bürstenlosen Linearservomotor mit mechanischen Modifikationen an der Linearschiene entwickelt, die es ermöglichen, diese nur an ihren Enden und nicht entlang ihrer Länge zu stützen – so fungiert der Forcer des Motors als X-Achsen-Portal, das die Y- und Z-Achsen trägt. Schließlich minimiert das Magnetdesign des Linearmotors das Rasten und ermöglicht so eine gleichmäßige Bewegung.