Fertigungs- und Verpackungsprozesse, die bisher manuelle Material- oder Teilehandhabung erforderten, konnten durch Automatisierung mit kartesischen Langhubrobotern, die über kundenspezifische Greifer (EoAT) und fortschrittliche Sensorik verfügten, unmittelbar profitieren. Diese Roboter unterstützten verschiedene Maschinen bei der Ausführung ansonsten manueller Aufgaben wie Maschinenbedienung oder dem Transfer von Teilen im Fertigungsprozess.

Kartesische Roboter bestehen aus zwei oder mehr koordinierten linearen Positioniereinheiten … und sind daher vielleicht nicht das Erste, woran ein Konstrukteur denkt, der neu im Bereich Automatisierung ist. Viele verbinden Roboter mit den sechsachsigen Knickarmrobotern, die in der Industrie zunehmend in Produktionshallen eingesetzt werden. Selbst erfahrene Automatisierungsingenieure schenken kartesischen Robotern oft wenig Beachtung und konzentrieren sich auf sechsachsige Modelle. Doch die Vorteile eines kartesischen Systems mit großem Verfahrweg zu ignorieren, kann ein kostspieliger Fehler sein – insbesondere in Anwendungen, die vom Roboter Folgendes erfordern:

1. Mehrere Maschinen bedienen

2. Große Längen erreichen

3. Einfache und sich wiederholende Arbeitsgänge ausführen.

Das Problem mit Sechs-Achs-Robotern

Aus gutem Grund sind Knickarmroboter in zahlreichen automatisierten Fertigungs- und Verpackungsanlagen weit verbreitet – insbesondere in der Elektronikmontage und der Medizintechnik. Bei optimaler Dimensionierung können diese Roboterarme große Lasten bewegen und flexibel viele verschiedene automatisierte Aufgaben ausführen, die durch Programmierung gesteuert und durch Werkzeugwechsel am Arm ergänzt werden. Sechsachsige Roboter sind jedoch teuer und erfordern eine hohe Roboterdichte. Letzteres bedeutet, dass eine Anlage wahrscheinlich für jede ein bis zwei Verpackungsmaschinen einen separaten Roboter benötigt. Natürlich gibt es größere und teurere Sechsachsroboter mit Reichweite, die mehr als zwei Maschinen bedienen können, aber auch diese sind suboptimal, da sie die Anlagenplaner zwingen, die Maschinen um einen sehr großen Roboter herum zu positionieren. Knickarmroboter erfordern zudem Schutzvorrichtungen, beanspruchen wertvolle Stellfläche und benötigen qualifiziertes Personal für Programmierung und Wartung.

Argumente für kartesische lineare Systeme mit langen Reisewegen

Kartesische Roboter sind sechsachsigen Robotern vor allem deshalb überlegen, weil sie die benötigte Roboterdichte reduzieren. Ein einziger kartesischer Transferroboter mit großem Verfahrweg kann schließlich mehrere Maschinen bedienen, ohne dass diese um den Roboter herum neu angeordnet werden müssen.

Transferroboter, die über den Maschinen installiert werden, benötigen in der Regel keine Stellfläche, was wiederum den Sicherheitsaufwand reduziert. Zudem erfordern kartesische Roboter nach der Ersteinrichtung nur wenig Programmierung und Wartung.

Eine wichtige Einschränkung besteht darin, dass die Leistungsfähigkeit kartesischer Robotersysteme stark variiert. Tatsächlich finden Ingenieure bei der Online-Recherche nach kartesischen Robotern viele kleinere Systeme, die für Pick-and-Place-Operationen an Produktions- oder Montageanlagen optimiert sind. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um lineare Systeme, die in handelsübliche kartesische Lösungen integriert sind – ganz anders als die Transferroboter, die in größeren Anwendungen eingesetzt werden und die folgenden Parameter erfüllen müssen.

Lange Reisen:Jeder Roboter, der zur Bedienung mehrerer großer Maschinen eingesetzt wird, muss eine Hublänge von mindestens 15 Metern aufweisen.

Mehrere Schlitten und kundenspezifische End-of-Arm-Werkzeuge:Lange Transferroboter arbeiten besonders effizient, wenn sie mit mehreren unabhängig voneinander agierenden Schlitten ausgestattet sind, die sich entlang der Hauptachse bewegen. Dadurch kann ein einzelner kartesischer Roboter die Arbeit vieler anderer Roboter erledigen. Diese Produktivität wird durch speziell entwickelte Werkzeuge weiter gesteigert, die Güter effektiver handhaben als handelsübliche End-of-Approach-Systeme (EoAT) wie Vakuum- oder Fingergreifer. In vielen Fällen vereinfachen kundenspezifische EoAT auch die Konstruktion von Materialhandhabungssystemen, die mit dem kartesischen Roboter zusammenarbeiten.

Vereinfachte Steuerungsarchitektur:Neuere kartesische Roboter verzichten teilweise auf herkömmliche Steuerungsarchitekturen mit separaten Motoren, Antrieben und Reglern und setzen stattdessen auf integrierte Servomotoren (mit Servoantrieben), wodurch der Schaltschrank entfällt. Für besonders komplexe Anwendungen kann zwar weiterhin eine traditionelle Architektur erforderlich sein, doch die integrierten Servomotoren bewältigen die Anforderungen an die Punkt-zu-Punkt-Bewegungssteuerung der meisten kartesischen Roboter problemlos. Durch den Einsatz integrierter Servomotoren lässt sich der Kostenvorteil einer kartesischen Automatisierungslösung optimal nutzen.

Selektive Nutzung:Da kartesische Roboter oberhalb oder hinter den von ihnen bedienten Maschinen montiert werden, ermöglichen sie es dem Benutzer, die Maschinen bei Bedarf auch manuell zu bedienen – beispielsweise für eine Kleinserie mit speziellen Abmessungen. Diese gezielte Nutzung ist bei bodenmontierten Sechs-Achs-Robotern schwierig, da diese den Zugang zu den Maschinen versperren können.

Konkretes Beispiel eines kartesischen Roboters

Manche kartesische Roboter erreichen Hübe von über 15 Metern bei Geschwindigkeiten von bis zu 4 m/s. Standardmäßig sind die Schlitten mit einem Doppelriemenantrieb ausgestattet; andere verfügen über einen oberen Antriebsriemen, der sich im Inneren um die eigene Achse windet. Letzteres verhindert ein Durchhängen des Riemens bei überkopf- oder freitragenden Anordnungen und ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb mehrerer unabhängiger Schlitten auf einer Achse.

Lange Riemen erschweren die Konstruktion kartesischer Roboter, da sie die Steifigkeit des Antriebsstrangs verringern (was wiederum die Leistung mindert). Das liegt daran, dass es schwierig ist, bei langen Riemen eine bestimmte Spannung aufrechtzuerhalten … und (was die Sache noch verschlimmert) die Riemenspannung asymmetrisch und variabel ist. Dadurch sind lange Umlaufriemen für die präzise Positionierung eine leistungsschwache, empfindliche und kostspielige Wahl.

Im Gegensatz dazu halten Lineartische mit beweglichen Motoren die Riemenlängen kurz und straff und sind im Schlitten untergebracht, sodass sie auf die vom Encoder gesteuerten Steuersignale reagieren können. Die Genauigkeit bleibt unabhängig von der Länge des kartesischen Übertragungssystems erhalten – egal ob 4 m oder 40 m.

Anwendungsbeispiel in der Verpackungsindustrie

Langhub-Kartesische Roboter-Transfereinheiten kommen in Zuführ-, Kartonier- und Trayformungsanwendungen zum Einsatz und können Palettierungs- und Depalettierungsvorgänge übernehmen.

Nehmen wir beispielsweise die Verpackung von landwirtschaftlichen Produkten. In einem kürzlich abgeschlossenen Projekt für ein Unternehmen im kalifornischen Central Valley lieferte ein Hersteller Transferroboter mit großem Verfahrweg, die sich nahtlos in das bestehende IPAK-Trayformersystem integrieren lassen. Jeder Roboter bedient bis zu vier Maschinen gleichzeitig und befüllt sie mit gestapelten Wellpappbögen. Die dreiachsigen Portalroboter basieren auf robusten, riemengetriebenen Linearservomotoren, die unbegrenzte Verfahrwege, unabhängig voneinander bewegliche Schlitten und die Möglichkeit der Montage des Systems in jeder beliebigen Ausrichtung ermöglichen. Die längste Achse eines solchen Roboters fährt mit einem Hub von über 15 Metern über die Trayformerreihe.

Um die Wellpappenbögen in die vier Trayformmaschinen zu befördern, entnimmt ein Roboter zunächst eine Ladung Karton von einer speziell angefertigten Laderampe mit Wellpappenpaletten. Anschließend liefert der Roboter eine Ladung Karton an jede Trayformmaschine. Dank seiner Geschwindigkeit (bis zu 4 m/s) kann der Roboter problemlos vier Trayformmaschinen bedienen – selbst bei einer Leistung von bis zu 35 Trays pro Minute.

Die Sicherheitsvorrichtungen nutzen von oben liegende Schiebetore und Sensoren, die von den betreuten Maschinen hochfahren, um den Roboter bei Bedarf einzuzäunen. Dies ist eine kostengünstigere Lösung als bei bodenmontierten Sechs-Achs-Robotern.

Dieses System umfasst auch alle Steuerungen und ein kundenspezifisches End-of-Arm-Werkzeug (EoAT), das mit Stapeln von Wellpappe unterschiedlicher Höhe und unterschiedlichen Gewichts arbeiten kann. Das Werkzeug bewältigt problemlos Nutzlasten bis zu 50 kg. Die Lösung entlastet die Bediener, die zuvor Kartonbündel von Paletten heben und sich zum Einlegen in die Formmaschinen bücken mussten. Durch die Automatisierung dieser Aufgaben können sich die Mitarbeiter auf weniger anstrengende Tätigkeiten konzentrieren. Große Transferroboter sind nur ein Beispiel für die Möglichkeiten kartesischer Robotersysteme in der Verpackungsindustrie. Einige Anbieter haben auch Palettier- und Depalettierungssysteme auf Basis ähnlicher kartesischer Ansätze entwickelt. Alle diese Roboter verwenden drei Lineartische, die mit Sensoren, Steuerungen und End-of-Arm-Werkzeugen ausgestattet sind, um eine maximal effektive und effiziente Verpackungsautomatisierung zu gewährleisten.