Was fällt Ihnen ein, wenn Sie an einen Industrieroboter denken?

Gelenkroboter wie diese sind dank Werbespots von Automobilherstellern und Robotertanzsequenzen weithin bekannt. Auch SCARA-Roboter (Selective Compliance Articulated Robot Arm) sind aufgrund ihrer Einführung und Verbreitung in Fabriken seit Anfang der 1980er Jahre bekannt. Beide – Gelenk- und SCARA-Roboter – kombinieren lineare und rotierende Bewegungen, was ihnen Manövrierfähigkeit für komplexe Aufgaben verleiht. Gelenkroboter entsprechen dem menschlichen Arm und verfügen über sechs Bewegungsachsen – drei translatorische (lineare) und drei rotatorische (denken Sie an Schulter, Ellbogen und Handgelenk). SCARA-Roboter haben vier Bewegungsachsen – X, Y, Z und Theta (ähnlich wie Ihr Arm, wenn Ihre Schulter ruhiggestellt wäre).

Kartesische Roboter sind in der Populärkultur weniger verbreitet, in industriellen Anwendungen von der Verpackung bis zur Halbleiterfertigung jedoch allgegenwärtig. Wie der Name schon sagt, arbeiten diese Roboter in den drei kartesischen Achsen X, Y und Z, können aber auch eine Theta-Achse für End-of-Arm-Tools enthalten. Kartesische Roboter sind zwar weniger attraktiv als Gelenk- und SCARA-Roboter, dafür aber deutlich vielseitiger, verfügen über höhere Tragfähigkeiten im Verhältnis zu ihrer Größe und oft auch über eine höhere Präzision. Sie sind zudem äußerst anpassungsfähig, da die Achsen mit relativ geringem Umbauaufwand an sich entwickelnde Produkt- oder Anwendungsanforderungen angepasst werden können.

Kartesische Roboter unterliegen jedoch aufgrund ihrer freitragenden Konstruktion Einschränkungen, die ihre Tragfähigkeit begrenzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die äußerste (Y- oder Z-)Achse einen großen Hub hat und dadurch eine hohe Momentbelastung auf die tragenden Achsen entsteht. Bei langen Hüben und hohen Lasten ist ein Portalroboter die beste Lösung.

Vom kartesischen zum Gantry-System:

Ein Portalroboter ist eine modifizierte Form eines kartesischen Roboters, der zwei X-Achsen (oder Basisachsen) anstelle der einzelnen Basisachse kartesischer Roboter verwendet. Die zusätzliche X-Achse (und manchmal die zusätzlichen Y- und Z-Achsen) ermöglicht dem Roboter die Handhabung größerer Lasten und Kräfte, wodurch er sich ideal für das Aufnehmen und Platzieren schwerer Nutzlasten oder das Be- und Entladen von Teilen eignet. Jede Achse basiert auf einem Linearantrieb, sei es ein „selbstgebauter“ Antrieb, der vom OEM oder Integrator montiert wurde, oder ein vormontierter Antrieb eines Linearbewegungsunternehmens. Dadurch gibt es nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, jede beliebige Kombination aus hohen Geschwindigkeiten, langen Hüben, schweren Nutzlasten und hoher Positioniergenauigkeit zu ermöglichen. Spezielle Anforderungen für raue Umgebungen oder geringe Geräuschentwicklung lassen sich problemlos integrieren, und wenn die Anwendung simultane, aber unabhängige Prozesse erfordert, können die horizontalen Achsen mit Linearmotoren und mehreren Schlitten gebaut werden.

Portalroboter werden typischerweise über dem Arbeitsbereich montiert (daher auch der gebräuchliche Begriff „Überkopfportal“). Wenn sich das Teil jedoch nicht für die Handhabung von oben eignet, wie dies bei Solarzellen und -modulen der Fall ist, kann das Portal so konfiguriert werden, dass es von unterhalb des Teils arbeitet. Und obwohl Portalroboter üblicherweise als sehr große Systeme betrachtet werden, eignen sie sich auch für kleinere Maschinen, sogar in Tischgrößengröße. Da ein Portalroboter zwei X- oder Basisachsen besitzt, werden die Momentbelastung durch die Y- und Z-Achsen sowie die Arbeitsnutzlast als Kräfte auf die X-Achsen aufgelöst. Dies erhöht die Steifigkeit des Systems erheblich und ermöglicht in den meisten Fällen größere Hübe und höhere Geschwindigkeiten der Achsen als bei einem vergleichbaren kartesischen Roboter.

Bei zwei parallelen Achsen wird üblicherweise nur eine Achse vom Motor angetrieben, um ein Verklemmen zu vermeiden, das durch eine leicht asynchrone Bewegung der beiden Achsen entstehen könnte. Anstatt beide Achsen anzutreiben, wird die Motorkraft über eine Verbindungswelle oder ein Drehmomentrohr auf die zweite Achse übertragen. In manchen Fällen kann die zweite Achse auch als Mitnehmer oder Läufer fungieren, der aus einer Linearführung zur Lastaufnahme, aber keinem Antriebsmechanismus besteht. Ob und wie die zweite Achse angetrieben wird, hängt vom Abstand der beiden Achsen, der Beschleunigung und der Steifigkeit der Verbindung ab. Der Antrieb nur einer Achse eines Achsenpaars reduziert zudem Kosten und Komplexität des Systems.

Die Dimensionierung eines kartesischen Roboters oder Portalroboters ist komplexer als die eines SCARA- oder Knickarmroboters (die typischerweise anhand der drei Parameter Reichweite, Geschwindigkeit und Genauigkeit spezifiziert werden). Hersteller haben den Prozess in den letzten Jahren jedoch durch die Einführung vorkonfigurierter Systeme und Online-Tools wie dem EasySelect-Konfigurator von Rexroth oder dem 3D-Linearmodul-Builder von Adept vereinfacht. Mit diesen Tools kann der Benutzer die Ausrichtung und Größe der Achsen sowie grundlegende Parameter für Hub, Last und Geschwindigkeit festlegen. Herunterladbare CAD-Dateien gehören ebenfalls zum Standardangebot der Hersteller von kartesischen Robotern und Portalrobotern und ermöglichen so die einfache Integration in Design und Workflow-Layout, ähnlich wie bei SCARA- und Knickarmrobotern. Knickarm- und SCARA-Roboter sind zwar leicht zu erkennen, und kartesische Roboter sind weit verbreitet. Portalroboter überwinden jedoch deren inhärente Einschränkungen hinsichtlich Last, Geschwindigkeit, Reichweite und Wiederholgenauigkeit durch ein unübertroffenes Maß an Anpassung und Flexibilität. Kurz gesagt: Portalroboter bieten die optimale Kombination aus Traglast und Hub.