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

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

Kartesische (Gantry-)Roboter

Mechatronische Roboter, die zur Bewegung lineare Achsen verwenden, werden als kartesische Roboter, Linearroboter oder Portalroboter bezeichnet. Portalroboter ähneln Portalkränen und funktionieren ähnlich. Portalroboter sind jedoch nicht auf Hebe- und Bewegungsfunktionen beschränkt. Sie können je nach Anforderung über benutzerdefinierte Funktionen verfügen.

Kartesische Roboter verfügen über eine Überkopfstruktur, die die Bewegung in der horizontalen Ebene steuert, und einen Roboterarm, der die Bewegung vertikal auslöst. Sie können so konzipiert sein, dass sie sich in xy-Achsen oder xyz-Achsen bewegen. Der Roboterarm wird auf dem Gerüst platziert und kann in der horizontalen Ebene bewegt werden. Am Ende des Roboterarms ist je nach Einsatzzweck ein Effektor oder eine Werkzeugmaschine angebracht.

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

 

Wie funktionieren sie?

Kartesische Roboter bewegen sich ausschließlich durch lineare Bewegungen, im Allgemeinen durch Servomotorantriebe. Die eingesetzten Linearantriebe können je nach Anwendungsfall in verschiedenen Formen vorliegen. Das Antriebssystem kann riemengetrieben, kabelgetrieben, schraubengetrieben, pneumatisch angetrieben, zahnstangengetrieben oder linearmotorgetrieben sein. Einige Hersteller bieten komplett vorgefertigte kartesische Roboter an, die ohne Modifikationen implementiert werden können. Andere Hersteller bieten unterschiedliche Komponenten als Module an, so dass der Anwender je nach Anwendungsfall eine Kombination dieser Module implementieren kann.

Die Roboterarme selbst können mit „Sicht“ ausgestattet sein oder im Betrieb „blind“ sein. Sie können an Lichtsensoren oder Kameras angebracht werden, um die Objekte zu identifizieren, bevor eine Aktion ausgeführt wird. Kartesische Roboter können beispielsweise in Laboren zum Aufnehmen und Bewegen von Proben eingesetzt werden. Durch computergestütztes Sehen können Reagenzgläser, Pipetten oder Objektträger erkannt werden und der Arm kann das Objekt entsprechend den von der Kamera übermittelten Positionsdaten greifen.

Der Vorteil kartesischer Roboter gegenüber anderen Robotersystemen, etwa Sechs-Achsen-Robotern, besteht darin, dass sie sehr einfach zu programmieren sind. Ein einzelner Motion Controller kann die Bewegungslogik für einen kartesischen Roboter verwalten. Die Roboter verfügen nur über lineare Bewegungen, was eine einfache Steuerung ermöglicht. Für die Bewegungssteuerung kartesischer Roboter ist keine komplexe Anordnung von SPS und Mikrochips erforderlich. Dasselbe Attribut erleichtert die Programmierung der Bewegung des Roboters.

 

Eigenschaften und Vorteile

Kartesische Roboter haben im Vergleich zu ihren entsprechenden sechsachsigen Robotern eine höhere Nutzlastkapazität. Zusammen mit den geringeren Kosten und der einfachen Programmierung von Linearrobotern macht dies sie für eine Vielzahl industrieller Anwendungen geeignet. Portalroboter, bei denen es sich im Wesentlichen um kartesische Roboter mit tragendem Gerüst handelt, können noch höhere Nutzlasten transportieren. Der Bewegungsbereich von Linearrobotern kann durch das Hinzufügen kompatibler Module zum vorhandenen Mechanismus erweitert werden. Diese Modularität bei kartesischen Robotern macht sie viel vielseitiger und hat eine längere Lebensdauer im industriellen Umfeld.

Kartesische Roboter weisen im Vergleich zu ihren rotierenden Gegenstücken auch ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision auf. Dies liegt daran, dass sie nur lineare Bewegungen ausführen und keine Drehbewegungen berücksichtigen müssen. Bei kartesischen Robotern können Toleranzen im Mikrometerbereich (μm) auftreten, während bei sechsachsigen Robotern in der Regel Toleranzen im Bereich von Millimetern (mm) vorliegen.

 

Anwendungen für kartesische Roboter

Die Vielseitigkeit, die geringeren Kosten und die einfache Programmierung machen kartesische Roboter für viele Anwendungen in industriellen Umgebungen geeignet. Schauen wir uns einige davon an.

• Auswählen und platzieren:Der Roboterarm ist mit verschiedenen Sichtgeräten ausgestattet, um verschiedene Komponenten auf einem Karussell oder Förderband zu identifizieren. Der Arm kann diese Gegenstände aufnehmen und in verschiedene Behälter sortieren. Das Pflücken und Sortieren kann mit einem einzigen Roboterarm erfolgen.
• Übertragung von Prozess zu Prozess:In einer Produktionslinie kommt es vor, dass Waren im Prozess von einem Ort zum anderen transportiert werden müssen. Dies kann mithilfe von Linearrobotern mit Doppelantrieb erfolgen. Sie können je nach Rest des Prozesses mit Vision-Systemen oder Zeitsynchronisation verwendet werden.
• Montagesystem:Wenn beim 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:Bei vielen Produktionsprozessen werden Klebstoffe oder Dichtstoffe zwischen Teilen aufgetragen. Es wird im großen Automobilbau bis hin zur Produktion kleiner elektronischer Geräte eingesetzt. Kleb- und Dichtstoffe müssen in sehr genauen Mengen und an der richtigen Stelle aufgetragen werden. Der Roboterarm des Linearroboters kann mit einem hochpräzisen Flüssigkeitsspender verbunden werden und Kleb- und Dichtstoffe mit hoher Genauigkeit aufgetragen werden.
• Palettieren und Depalettieren:Beim Verpacken werden Paletten zum einfachen Transport von Waren verwendet. Mit kartesischen Robotern können sowohl das Auflegen von Produkten auf Paletten als auch das Entnehmen von Paletten automatisiert werden.
• CNC-Bearbeitung:Auf numerischen Computersteuerungen basierende Maschinen werden verwendet, um Produkte gemäß Entwürfen zu erstellen, die in Konstruktionssoftware erstellt wurden. Bei CNC-Maschinen kommen häufig Linearroboter zum Einsatz, an deren Roboterarmen verschiedene Werkzeuge angebracht sind.
• Präzisionspunktschweißen:Bei bestimmten Herstellungsprozessen sind spezielle Schweißverfahren erforderlich. Linearroboter mit Schweißarmen können präzise Schweißnähte an präzisen Stellen auf der Arbeitsfläche erzielen. Hilfreich bei solchen Anwendungen ist die hohe Toleranz im Mikrometerbereich (μm).

Es gibt viele weitere industrielle Anwendungen für Linearroboter. Dazu gehören Ausgabegeräte, Assembler- und Tester-Basismaschinen, Einlegeeinheiten, Stapelgeräte, Siegelautomatisierung, Materialhandhabung, Lagerung und Entnahme, Schneiden, Anreißen und Sortieren.