Die kartesische Koordinatengeometrie ist eine hervorragende Methode, den dreidimensionalen Raum in einem einfachen, leicht verständlichen Zahlensystem abzubilden. Im kartesischen System für den dreidimensionalen Raum gibt es drei Koordinatenachsen, die senkrecht aufeinander stehen (orthogonale Achsen) und sich im Ursprung treffen.

Die drei Achsen werden allgemein als x-Achse, y-Achse und z-Achse bezeichnet. Jeder Punkt im dreidimensionalen Raum wird durch drei Zahlen (x, y, z) dargestellt. X stellt den Abstand des Punktes vom Ursprung entlang der x-Achse dar, y den Abstand vom Ursprung entlang der y-Achse und z den Abstand vom Ursprung entlang der z-Achse.

Kartesische (Portal-)Roboter

Mechatronische Roboter, die Linearachsen zur Bewegung nutzen, werden als kartesische Roboter, Linearroboter oder Portalroboter bezeichnet. Portalroboter ähneln Portalkränen und funktionieren auch ähnlich. Portalroboter sind jedoch nicht auf Hebe- und Bewegungsfunktionen beschränkt. Sie können je nach Bedarf über individuelle Funktionen verfügen.

Kartesische Roboter verfügen über eine Überkopfstruktur, die die Bewegung in der horizontalen Ebene steuert, und einen Roboterarm, der die Bewegung vertikal ausführt. Sie können für Bewegungen in xy- oder xyz-Achsen ausgelegt sein. Der Roboterarm ist auf einem Gerüst platziert und kann horizontal bewegt werden. Je nach Einsatzzweck ist am Ende des Roboterarms ein Effektor oder eine Werkzeugmaschine angebracht.

Obwohl die Begriffe kartesische Roboter und Portalroboter synonym verwendet werden, verfügen Portalroboter im Allgemeinen über zwei X-Achsen, während kartesische Roboter (je nach Konfiguration) jeweils nur über eine der zwei/drei Achsen verfügen.

 

Wie funktionieren sie?

Kartesische Roboter bewegen sich ausschließlich linear, in der Regel durch Servomotoren. Die eingesetzten Linearantriebe können je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein. Das Antriebssystem kann riemengetrieben, seilgetrieben, spindelgetrieben, pneumatisch, zahnstangengetrieben oder linearmotorgetrieben sein. Einige Hersteller bieten komplett vorgefertigte kartesische Roboter an, die ohne Modifikationen implementiert werden können. Andere Hersteller bieten verschiedene Komponenten als Module an, sodass der Anwender diese Module je nach Anwendungsfall kombinieren kann.

Roboterarme selbst können mit „Sehvermögen“ ausgestattet oder blind agieren. Sie können mit Lichtsensoren oder Kameras ausgestattet werden, um Objekte vor der Ausführung einer Aktion zu identifizieren. Kartesische Roboter können beispielsweise in Laboren zum Aufnehmen und Bewegen von Proben eingesetzt werden. Computergestütztes Sehen kann Reagenzgläser, Pipetten oder Objektträger erkennen, und der Arm kann das Objekt entsprechend den von der Kamera übermittelten Positionsdaten greifen.

Der Vorteil kartesischer Roboter gegenüber anderen Robotersystemen, wie beispielsweise Sechsachsenrobotern, liegt in ihrer einfachen Programmierung. Ein einziger Motion Controller kann die Bewegungslogik eines kartesischen Roboters steuern. Die Roboter bewegen sich ausschließlich linear, was eine einfache Steuerung ermöglicht. Für die Bewegungssteuerung kartesischer Roboter sind keine komplexen SPS-Systeme und Mikrochips erforderlich. Diese Eigenschaft erleichtert auch die Programmierung der Roboterbewegungen.

 

Eigenschaften und Vorteile

Kartesische Roboter verfügen über eine höhere Tragfähigkeit als vergleichbare Sechsachser. Dies, kombiniert mit den geringeren Kosten und der einfachen Programmierung von Linearrobotern, macht sie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen geeignet. Portalroboter, im Wesentlichen kartesische Roboter mit Stützgerüst, können sogar noch höhere Traglasten tragen. Der Bewegungsbereich von Linearrobotern lässt sich durch das Hinzufügen kompatibler Module zum bestehenden Mechanismus erweitern. Diese Modularität macht kartesische Roboter deutlich vielseitiger und sorgt für eine längere Lebensdauer im industriellen Umfeld.

Kartesische Roboter zeichnen sich im Vergleich zu ihren rotierenden Gegenstücken durch eine hohe Genauigkeit und Präzision aus. Dies liegt daran, dass sie nur lineare Bewegungen ausführen und keine Drehbewegungen berücksichtigen müssen. Kartesische Roboter können Toleranzen im Mikrometerbereich (μm) aufweisen, während Sechs-Achs-Roboter in der Regel Toleranzen im Millimeterbereich (mm) aufweisen.

 

Anwendungen für kartesische Roboter

Dank ihrer Vielseitigkeit, der geringeren Kosten und der einfachen Programmierung eignen sich kartesische Roboter für viele Anwendungen in der Industrie. Wir stellen einige davon vor.

• Aufnehmen und Platzieren:Der Roboterarm ist mit einer Art Sichtgerät ausgestattet, um verschiedene Komponenten eines Karussells oder Förderbands zu identifizieren. Der Arm kann diese Objekte aufnehmen und in verschiedene Behälter sortieren. Das Aufnehmen und Sortieren kann von einem einzigen Roboterarm übernommen werden.
• Prozess-zu-Prozess-Transfer:In einer Produktionslinie kommt es vor, dass Waren im Prozess von einem Ort zum anderen transportiert werden müssen. Dies kann durch den Einsatz von Linearrobotern mit Doppelantrieb erfolgen. Je nach weiterem Prozess können sie mit Bildverarbeitungssystemen oder zeitsynchronisiert eingesetzt werden.
• Montagesystem:Wenn zum Zusammenbau der Teile eines Produkts immer wieder dieselben Schritte wiederholt werden müssen, können Linearroboter zur Automatisierung dieser Aufgaben eingesetzt werden.
• Anwendung von Kleb- und Dichtstoffen:Viele Produktionsprozesse beinhalten das Auftragen von Klebstoffen oder Dichtstoffen zwischen Bauteilen. Dies wird von der Automobilindustrie bis hin zur Produktion kleiner elektronischer Geräte eingesetzt. Klebstoffe und Dichtstoffe müssen in präzisen Mengen und an der richtigen Stelle aufgetragen werden. Der Roboterarm des Linearroboters kann mit einem hochpräzisen Flüssigkeitsspender verbunden werden, um Klebstoffe und Dichtstoffe präzise aufzutragen.
• Palettieren und Depalettieren:Beim Verpacken werden Paletten für den einfachen Transport von Waren verwendet. Kartesische Roboter können sowohl das Auf- als auch das Abladen von Produkten auf Paletten automatisieren.
• CNC-Werkzeugmaschinen:Maschinen mit computergestützter numerischer Steuerung (CNC) werden zur Herstellung von Produkten nach Entwürfen aus Konstruktionssoftware eingesetzt. CNC-Maschinen verwenden häufig Linearroboter mit verschiedenen an den Roboterarmen befestigten Werkzeugen.
• Präzisionspunktschweißen:Für bestimmte Fertigungsprozesse sind spezielle Schweißverfahren erforderlich. Linearroboter mit Schweißarmen ermöglichen präzise Schweißnähte an präzisen Stellen der Arbeitsfläche. Die hohe Toleranz im Mikrometerbereich (μm) ist bei solchen Anwendungen hilfreich.

Es gibt noch viele weitere industrielle Anwendungen für Linearroboter. Dazu gehören Dosiergeräte, Montage- und Prüfmaschinen, Einlegeeinheiten, Stapelvorrichtungen, Versiegelungsautomatisierung, Materialhandhabung, Ein- und Auslagern, Schneiden, Ritzen und Sortieren.