Was kommt Ihnen in den Sinn, wenn Sie an einen Industrieroboter denken?

Gelenkroboter wie diese sind dank Werbespots von Automobilherstellern und Roboter-Tanzsequenzen weithin bekannt. Auch SCARA-Roboter (Selective Compliance Articulated Robot Arm) sind aufgrund ihrer Einführung und Verbreitung in Fabriken seit den frühen 1980er-Jahren weithin bekannt. Beide Robotertypen – Gelenkroboter und SCARA-Roboter – kombinieren lineare und rotatorische Bewegungen und ermöglichen so die Manövrierfähigkeit für komplexe Aufgaben. Gelenkroboter ähneln dem menschlichen Arm mit sechs Bewegungsachsen – drei translatorischen (linearen) und drei rotatorischen (vergleichbar mit Schulter, Ellbogen und Handgelenk). SCARA-Roboter verfügen über vier Bewegungsachsen – X, Y, Z und Theta (ähnlich wie der menschliche Arm, wenn die Schulter fixiert wäre).

Weniger bekannt in der Popkultur, aber allgegenwärtig in industriellen Anwendungen von der Verpackungsindustrie bis zur Halbleiterfertigung, sind kartesische Roboter. Wie der Name schon sagt, arbeiten diese Roboter entlang der drei kartesischen Achsen – X, Y und Z – wobei sie optional eine Theta-Achse für Greifwerkzeuge besitzen können. Obwohl sie weniger spektakulär als Knickarm- und SCARA-Roboter wirken, sind kartesische Roboter deutlich vielseitiger, bieten im Verhältnis zu ihrer Größe höhere Tragfähigkeiten und in vielen Fällen eine höhere Präzision. Zudem sind sie sehr anpassungsfähig, da die Achsen mit relativ geringem Aufwand aufgerüstet oder ausgetauscht werden können, um sich ändernden Produkt- oder Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Kartesische Roboter stoßen jedoch aufgrund ihrer freitragenden Bauweise an ihre Grenzen, was ihre Tragfähigkeit einschränkt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die äußerste Achse (Y- oder Z-Achse) einen großen Hub aufweist, wodurch ein hohes Biegemoment auf die Tragachsen wirkt. In Fällen, in denen große Hübe und hohe Lasten erforderlich sind, ist ein Portalroboter die beste Lösung.

Von kartesischen Koordinaten zu Portal:

Ein Portalroboter ist eine modifizierte Form des kartesischen Roboters. Er verwendet zwei X-Achsen (oder Basisachsen) anstelle der einen Basisachse kartesischer Roboter. Die zusätzliche X-Achse (und gegebenenfalls zusätzliche Y- und Z-Achsen) ermöglicht es dem Roboter, größere Lasten und Kräfte zu handhaben. Dadurch eignet er sich ideal für das Aufnehmen und Platzieren schwerer Nutzlasten oder das Be- und Entladen von Teilen. Jede Achse basiert auf einem Linearantrieb – entweder einem vom OEM oder Integrator selbst gefertigten oder einem vormontierten Antrieb eines Herstellers von Linearantrieben. Dies bietet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für jede Kombination aus hohen Geschwindigkeiten, langen Hüben, hohen Nutzlasten und hoher Positioniergenauigkeit. Spezielle Anforderungen für raue Umgebungen oder geringe Geräuschentwicklung lassen sich problemlos integrieren. Erfordert die Anwendung simultane, aber unabhängige Prozesse, können die horizontalen Achsen mit Linearmotoren und mehreren Schlitten ausgestattet werden.

Portalroboter werden üblicherweise über dem Arbeitsbereich montiert (daher die gängige Bezeichnung „Überkopfportal“). Ist das Werkstück jedoch nicht für die Handhabung von oben geeignet, wie beispielsweise bei Solarzellen und -modulen, kann der Portalroboter so konfiguriert werden, dass er von unten arbeitet. Obwohl Portalroboter typischerweise als sehr große Systeme gelten, eignen sie sich auch für kleinere, sogar tischgroße Maschinen. Da ein Portalroboter über zwei X-Achsen (Basisachsen) verfügt, werden die durch die Y- und Z-Achse sowie die Nutzlast entstehenden Momenten als Kräfte auf die X-Achsen aufgelöst. Dies erhöht die Steifigkeit des Systems deutlich und ermöglicht in den meisten Fällen größere Hublängen und höhere Geschwindigkeiten der Achsen als bei einem vergleichbaren kartesischen Roboter.

Bei zwei parallelen Achsen wird üblicherweise nur eine davon vom Motor angetrieben, um ein Blockieren durch leicht asynchrone Bewegungen zu vermeiden. Anstatt beide Achsen anzutreiben, wird die Motorleistung über eine Verbindungswelle oder ein Drehmomentrohr auf die zweite Achse übertragen. In manchen Fällen kann die zweite Achse als Mitläufer oder Stützachse fungieren und besteht aus einer Linearführung zur Lastaufnahme, jedoch ohne eigenen Antrieb. Die Entscheidung, ob und wie die zweite Achse angetrieben wird, hängt vom Abstand zwischen den beiden Achsen, der Beschleunigung und der Steifigkeit der Verbindung ab. Der Antrieb nur einer Achse reduziert zudem Kosten und Komplexität des Systems.

Die Dimensionierung eines kartesischen oder Portalroboters ist komplexer als die eines SCARA- oder Knickarmroboters (die typischerweise anhand von drei Parametern spezifiziert werden: Reichweite, Geschwindigkeit und Genauigkeit). Hersteller haben den Prozess jedoch in den letzten Jahren durch die Einführung vorkonfigurierter Systeme und Online-Tools wie dem EasySelect-Konfigurator von Rexroth oder dem 3D Linear Modules Builder von Adept vereinfacht. Mit diesen Tools kann der Benutzer die Ausrichtung und Größe der Achsen sowie grundlegende Hub-, Last- und Geschwindigkeitsparameter festlegen. Herunterladbare CAD-Dateien gehören ebenfalls zum Standardangebot von Herstellern kartesischer und Portalroboter und ermöglichen so eine einfache Integration in Konstruktions- oder Workflow-Layouts, ähnlich wie bei SCARA- und Knickarmrobotern. Während Knickarm- und SCARA-Roboter leicht erkennbar und kartesische Roboter weit verbreitet sind, überwindet die Portalbauweise deren inhärente Einschränkungen hinsichtlich Last, Geschwindigkeit, Reichweite und Wiederholgenauigkeit und bietet ein unübertroffenes Maß an Anpassbarkeit und Flexibilität. Kurz gesagt: Portalroboter bieten die optimale Kombination aus Nutzlast und Hub.