Fertigungs- und Verpackungsvorgänge mit manueller Material- oder Teilehandhabung profitieren unmittelbar von der Automatisierung durch kartesische Langhubroboter mit maßgeschneiderten End-of-Arm-Tools (EoAT) und erweiterten Sensorfunktionen. Diese Roboter unterstützen eine Vielzahl von Maschinen bei ansonsten manuellen Aufgaben wie der Maschinenbedienung oder dem Transport von Werkstücken im Prozess.

Kartesische Roboter bestehen aus zwei oder mehr koordinierten linearen Positionierstufen … und sind daher vielleicht nicht das Erste, was einem Konstrukteur in den Sinn kommt, der sich neu mit Automatisierung beschäftigt. Viele setzen Roboter mit den sechsachsigen Gelenkarmrobotern gleich, die in der Industrie zunehmend in Fabrikhallen eingesetzt werden. Selbst erfahrene Automatisierungsingenieure räumen kartesischen Robotern oft wenig Beachtung ein und konzentrieren sich eher auf sechsachsige Modelle. Doch die Vorteile eines kartesischen Systems mit langen Verfahrwegen zu ignorieren, kann ein kostspieliger Fehler sein – insbesondere bei Anwendungen, die vom Roboter Folgendes erfordern:

1. Bedienen Sie mehrere Maschinen

2. Erreichen Sie große Längen

3. Führen Sie einfache und sich wiederholende Vorgänge durch.

Das Problem mit Sechs-Achs-Robotern

Aus gutem Grund sind Knickarmroboter in unzähligen automatisierten Fertigungs- und Verpackungsanlagen weit verbreitet … insbesondere in der Elektronikmontage und der Medizinbranche. Bei richtiger Dimensionierung können solche Roboterarme große Nutzlasten handhaben und sind flexibel genug, um viele verschiedene automatisierte Aufgaben auszuführen, die durch Programmierung gesteuert werden (und durch Werkzeugwechsel am Armende ergänzt werden). Sechsachsige Roboter können jedoch teuer sein und erfordern eine hohe Roboterdichte. Letztere bedeutet, dass eine Anlage wahrscheinlich für jeweils eine oder zwei Verpackungsmaschinen einen separaten Roboter benötigt. Natürlich gibt es größere und teurere sechsachsige Roboter mit Reichweiten für mehr als ein paar Maschinen, aber selbst diese sind suboptimale Lösungen, da die Anlageningenieure die Maschinen um einen sehr großen Roboter herum positionieren müssen. Knickarmroboter erfordern außerdem Sicherheitsvorrichtungen, verbrauchen wertvolle Stellfläche sowie Programmierung und Wartung durch qualifiziertes Personal.

Argumente für kartesische Linearsysteme mit großem Verfahrweg

Kartesische Roboter übertreffen sechsachsige Roboteroptionen vor allem deshalb, weil sie die erforderliche Roboterdichte reduzieren. Schließlich kann ein kartesischer Transferroboter mit großem Hub mehrere Maschinen bedienen, ohne dass die Maschinen um den Roboter herum neu angeordnet werden müssen.

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

Ein Nachteil besteht darin, dass die Fähigkeiten kartesischer Robotersysteme stark variieren. Recherchieren Ingenieure online nach kartesischen Robotern, finden sie viele kleinere Systeme, die für Pick-and-Place-Operationen an Produktions- oder Montagemaschinen optimiert sind. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um lineare Tische, die in handelsübliche kartesische Lösungen integriert sind – ganz anders als die Transferroboter, die in größeren Betrieben eingesetzt werden und die folgenden Parameter erfüllen müssen.

Lange Verfahrwege:Jeder Roboter, der zur Bedienung mehrerer großer Maschinen angeschafft wird, muss über Hübe von 50 Fuß oder mehr verfügen.

Mehrere Schlitten und benutzerdefinierte End-of-Arm-Werkzeuge:Langhubroboter sind maximal effektiv, wenn sie mit mehreren unabhängig voneinander agierenden Schlitten ausgestattet sind, die die Hauptachse bewegen. Dadurch kann ein kartesischer Roboter die Arbeit mehrerer Roboter übernehmen. Diese Produktivität wird durch speziell entwickelte Werkzeuge noch weiter gesteigert, die die Handhabung von Gütern effektiver machen als handelsübliche EoAT wie Vakuum- oder Fingergreifer. In vielen Fällen können kundenspezifische EoAT auch die Konstruktion von Materialhandhabungssystemen vereinfachen, die mit dem kartesischen Roboter zusammenarbeiten.

Vereinfachte Steuerungsarchitektur:Einige neuere kartesische Roboter verzichten auf traditionelle Steuerungsarchitekturen mit separaten Motoren, Antrieben und Controllern zugunsten integrierter Servomotoren (komplett mit Servoantrieben), um einen Schaltschrank überflüssig zu machen. Komplexeste kartesische Roboteranwendungen erfordern zwar weiterhin eine traditionelle Architektur, doch integrierte Servomotoren erfüllen die Anforderungen der meisten kartesischen Roboter an die Punkt-zu-Punkt-Bewegungssteuerung. Der Einsatz integrierter Servomotoren kann den Kostenvorteil einer kartesischen Automatisierung maximieren.

Selektiver Einsatz:Da kartesische Roboter über oder hinter den Maschinen montiert werden, die sie bedienen, können Anwender die Maschinen bei Bedarf auch manuell bedienen – beispielsweise für eine Kleinserie einer Sondergröße. Dieser selektive Einsatz ist bei bodenmontierten Sechsachsenrobotern schwierig, da diese den Zugang zu den Maschinen blockieren können.

Spezifisches kartesisches Roboterbeispiel

Einige kartesische Roboter erreichen Hübe von über 15 m und Geschwindigkeiten von bis zu 4 m/s. Standardwagen verfügen möglicherweise über einen Doppelriemenantrieb; andere Wagen verfügen über einen oberen Antriebsriemen, der sich im Inneren kontinuierlich dreht. Letzterer verhindert ein Durchhängen des Riemens bei umgekehrten oder freitragenden Anordnungen und ermöglicht den gleichzeitigen Betrieb mehrerer unabhängiger Wagen auf einer Achse.

Lange Riemen erschweren die Konstruktion kartesischer Roboter, da sie die Steifigkeit des Antriebsstrangs beeinträchtigen (was wiederum die Leistung mindert). Das liegt daran, dass die Aufrechterhaltung einer bestimmten Spannung bei langen Riemen schwierig ist … und (erschwerend kommt hinzu), dass die Riemenspannung asymmetrisch und variabel ist. Das macht lange Umlaufriemen zu einer leistungsschwachen, heiklen und kostspieligen Wahl für eine präzise Positionierung.

Im Gegensatz dazu sind Lineartische mit beweglichem Motor kurz und kompakt und im Schlitten untergebracht, sodass sie auf Encoder-gesteuerte Steuerungen reagieren können. Die Genauigkeit bleibt unabhängig von der Länge des kartesischen Transfersystems erhalten – egal ob 4 m oder 40 m.

Anwendungsbeispiel in der Verpackungsindustrie

Kartesische Roboter-Transfereinheiten mit großem Hub arbeiten in Zuführ-, Kartonier- und Trayformungsanwendungen und können Palettier- und Depalettierungsvorgänge durchführen.

Ein Beispiel hierfür ist die Verpackung von Obst und Gemüse. Für einen aktuellen Anwendungsfall für ein Agrarverpackungsunternehmen im kalifornischen Central Valley lieferte ein Hersteller Langhub-Transferroboter, die sich nahtlos in das bestehende IPAK-Trayformersystem integrieren ließen. Jeder Roboter bedient bis zu vier Maschinen gleichzeitig und befüllt sie mit Wellpappestapeln. Die dreiachsigen Portalroboter basieren auf Hochleistungs-Linear-Servomotor-Tischen mit Riemenantrieb für unbegrenzte Verfahrwege, unabhängig bewegliche Schlitten und die Möglichkeit, die Tische in jeder beliebigen Ausrichtung zu montieren. Die längste Achse eines solchen Roboters verläuft über die Trayformerreihe mit einem Hub von über 15 Metern.

Um Wellpappebögen in die vier Trayformer zu befördern, greift ein Roboter zunächst eine Ladung Karton von einer speziell angefertigten Ladestation mit Wellpappe-Paletten. Anschließend befördert er eine Kartonladung an jeden Trayformer. Dank seiner Geschwindigkeit (bis zu 4 m/s) kann der Roboter problemlos vier Trayformer befördern – selbst bei einer Leistung von bis zu 35 Trays pro Minute.

Bei der Sicherheitsabsicherung kommen oben angebrachte Schiebetore und Sensoren zum Einsatz, die von den bedienten Maschinen aus nach oben fahren, um den Roboter bei Bedarf einzuzäunen. Dies stellt eine Lösung dar, die weniger kostspielig ist als die für bodenmontierte Sechs-Achsen-Roboter.

Dieses System umfasst außerdem alle Steuerungen und kundenspezifischen EoAT, die mit Wellpappenstapeln arbeiten können, deren Höhe und Gewicht unvorhersehbar variieren. Die Werkzeuge bewältigen problemlos Nutzlasten bis zu 50 kg. Die Lösung entlastet Bediener, die früher Kartonbündel von Paletten heben und sich bücken mussten, um sie in die Formmaschinen zu legen. Durch die Automatisierung dieser Aufgaben können sich die Mitarbeiter auf weniger anstrengende Arbeiten konzentrieren. Große Transferroboter sind nur ein Beispiel für die Möglichkeiten kartesischer Robotersysteme in Verpackungsumgebungen. Einige Anbieter haben auch Palettier- und Depalettiersysteme entwickelt, die auf ähnlichen kartesischen Ansätzen basieren. Alle diese Roboter verfügen über drei lineare Stufen, die mit Sensoren, Steuerungen und End-of-Arm-Werkzeugen ausgestattet sind, um eine maximal effektive und effiziente Verpackungsautomatisierung zu gewährleisten.