Systemkonfiguration, Kabelmanagement, Steuerung.

Wenn Ihre Anwendung einen kartesischen Roboter erfordert, stehen Ihnen je nach gewünschtem Integrationsgrad vielfältige Optionen zur Verfügung. Obwohl vorgefertigte kartesische Roboter immer häufiger eingesetzt werden, da Hersteller ihre Produktpalette erweitern, um ein breiteres Spektrum an Leistungskriterien abzudecken, erfordern manche Anwendungen weiterhin den Bau eines eigenen kartesischen Systems – beispielsweise um spezielle Umgebungsbedingungen zu erfüllen oder hochspezialisierte Leistungsanforderungen zu erfüllen.

„Selbst bauen“ bedeutet aber nicht unbedingt „von Grund auf neu entwickeln“. Ein gutes Beispiel: Die Schlüsselkomponenten eines kartesischen Roboters – die Linearantriebe – sind in zahlreichen Ausführungen erhältlich, sodass es selten nötig ist, die Antriebe selbst zu bauen. Viele Hersteller von Linearantrieben bieten zudem Verbindungssätze und Montagehalterungen an, die den Zusammenbau eines eigenen kartesischen Systems aus Antrieben nach Katalogvorgaben relativ einfach machen.

Die Festlegung des Grundlayouts und die Auswahl der passenden Linearantriebe sind jedoch nur der erste Schritt. Um zu vermeiden, dass das kartesische System die Anwendungsanforderungen nicht erfüllt oder nicht in den vorgesehenen Platz passt, sollten Sie die folgenden Punkte beachten – insbesondere in der Entwurfsphase.

Systemkonfiguration

Bei der Konstruktion eines kartesischen Roboters ist die Achsenkonfiguration einer der ersten Schritte. Sie dient nicht nur der Realisierung der erforderlichen Bewegungen, sondern gewährleistet auch die notwendige Systemsteifigkeit, die Tragfähigkeit, Verfahrgenauigkeit und Positioniergenauigkeit beeinflusst. Tatsächlich eignen sich für manche Anwendungen, die Bewegungen in kartesischen Koordinaten erfordern, Portalroboter besser als kartesische Systeme. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Y-Achse einen langen Hub benötigt oder die kartesische Anordnung ein hohes Biegemoment auf eine der Achsen ausüben würde. In diesen Fällen können die zwei X- oder Y-Achsen eines Portalsystems notwendig sein, um übermäßige Auslenkungen oder Vibrationen zu vermeiden.

Wenn ein kartesisches System die beste Lösung darstellt, ist der nächste Konstruktionsschritt typischerweise die Antriebseinheit für die Aktuatoren – am häufigsten werden Riemen-, Spindel- oder pneumatische Antriebe verwendet. Unabhängig vom Antriebssystem werden Linearaktuatoren üblicherweise mit einer oder zwei Linearführungen angeboten.

Die überwiegende Mehrheit der kartesischen Roboter verwendet die Doppelführungskonfiguration, da diese eine bessere Unterstützung für überhängende (momentartige) Lasten bietet. Allerdings benötigen Achsen mit zwei Linearführungen eine größere Stellfläche als Achsen mit einer einzelnen Linearführung. Andererseits sind Doppelführungssysteme oft kürzer (in vertikaler Richtung), wodurch Kollisionen mit anderen Maschinenteilen vermieden werden können. Kurz gesagt: Die Wahl des Achsentyps beeinflusst nicht nur die Leistung des kartesischen Systems, sondern auch dessen Gesamtstellfläche.

Kabelmanagement

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Entwicklung kartesischer Roboter, der in den frühen Phasen oft vernachlässigt (oder einfach auf spätere Phasen verschoben) wird, ist das Kabelmanagement. Jede Achse benötigt mehrere Kabel für Stromversorgung, Druckluft (bei pneumatischen Achsen), Encoder-Rückmeldung (bei servogesteuerten kartesischen Robotern), Sensoren und andere elektrische Komponenten. Mit der Integration von Systemen und Komponenten in das industrielle Internet der Dinge (IIoT) gewinnen die Methoden und Werkzeuge für deren Verbindung noch mehr an Bedeutung. Alle Kabel, Leitungen und Steckverbinder müssen sorgfältig verlegt und verwaltet werden, um vorzeitige Materialermüdung durch übermäßige Biegung oder Beschädigungen durch Interferenzen mit anderen Systemteilen zu vermeiden.

Bei kartesischen Robotern (sowie SCARA- und 6-Achs-Robotern) wird die Vernetzung noch komplexer, da sich die Achsen sowohl unabhängig voneinander als auch synchron bewegen können. Eine Möglichkeit, die Komplexität des Kabelmanagements zu verringern, besteht darin, Komponenten zu verwenden, die die Anzahl der benötigten Kabel reduzieren – beispielsweise Motoren, die Stromversorgung und Rückkopplung in einem einzigen Kabel integrieren, oder integrierte Motor-Antriebs-Kombinationen.

Die Art der Steuerung und das Netzwerkprotokoll beeinflussen Art und Anzahl der benötigten Kabel sowie die Komplexität des Kabelmanagements. Auch das Kabelmanagementsystem – Kabelträger, Kabelrinnen oder Gehäuse – wirkt sich auf die Abmessungen des Gesamtsystems aus. Daher ist es wichtig, mögliche Interferenzen zwischen dem Kabelmanagementsystem und anderen Roboter- und Maschinenteilen zu prüfen.

Bedienelemente

Kartesische Roboter sind die optimale Lösung für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen, können aber auch komplexe interpolierte und konturierte Bewegungen ausführen. Die Art der benötigten Bewegung bestimmt, welches Steuerungssystem, Netzwerkprotokoll, welche Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und welche anderen Bewegungskomponenten am besten für das System geeignet sind. Obwohl diese Komponenten größtenteils getrennt von den Achsen des kartesischen Roboters untergebracht sind, beeinflussen sie die benötigten Motoren, Kabel und anderen axialen elektrischen Komponenten. Diese axialen Komponenten wiederum spielen eine Rolle bei den ersten beiden Designüberlegungen: Konfiguration und Kabelmanagement.

Damit schließt sich der Designprozess und unterstreicht erneut die Bedeutung der Konstruktion eines kartesischen Roboters als integrierte elektromechanische Einheit und nicht als eine Reihe mechanischer Komponenten, die lediglich mit elektrischer Hardware und Software verbunden sind.