Системы позиционирования роботов — это длинные пути на складах, в аэрокосмической и автомобильной промышленности, позволяющие одному роботу выполнять несколько задач. Эти конструкции перемещения, также называемые роботами-переносчиками, или RTU, или системами 7-й оси, все чаще используются при сборке, крупномасштабной сварке и складировании.

В отличие от типичных установок, в которых робот привинчивается к полу, RTU перемещают роботов по производственным цехам и фабрикам и перемещают их между станциями. Лучшими установками для RTU являются те, которые только строятся, или те, в которых процессы и связанные с ними машины можно разместить в один ряд. Там, где RTU перемещают шестиосных роботов, линейные пути также иногда называют седьмой осью (или реже, когда сам робот имеет семь степеней свободы, восьмой осью). Когда эти направляющие являются частью рамы, включая рамы, на которых подвешивается робот, они являются порталами.

Независимо от морфологии робота или трека, цель дополнительной оси — добавить поступательное движение. Это либо расширяет рабочую зону, либо позволяет роботу транспортировать заготовки или инструменты. В некоторых случаях первый позволяет роботу обслуживать несколько машин, выбирать поддоны из рядов или обрабатывать очень большие компоненты. Для последних обычными областями применения являются упаковка, сварка, плазменная резка и другие механические задачи.

Здесь мы сосредоточимся на вариантах привода для RTU. Однако учтите, что инженерам также приходится выбирать между набором направляющих и подшипников (обычно в виде кулачковых толкателей или профильных направляющих).

Вариантов конструкции и привода для RTU имеется множество.
Хотя некоторые порталы включают в себя каркас для переворачивания роботов и подвешивания их для лучшего доступа к машинам сверху, наиболее распространены RTU, которые крепятся болтами к полу и ориентируют робота вертикально. Эти RTU имеют в среднем более высокую полезную нагрузку, несут роботизированные манипуляторы и захватывают грузы весом в тысячи фунтов.

Инженеры могут купить готовые RTU или построить их самостоятельно, используя опыт в области систем движения. Самыми простыми являются пары линейных путей, на которых установлены платформы, к которым прикрепляется робот. Однако многие OEM-производители привлекают специализированных интеграторов в ситуациях, когда роботы на RTU будут выполнять высокоточные работы — например, задачу резки (когда конструкция должна синхронизировать сочленение нескольких осей) или перемещение отливок через различные станки для обработки.

Самая большая проблема при разработке роботов-переносчиков — это программирование их для синхронизации с шарнирами роботов-манипуляторов, которые они несут. Вторая по значимости задача — заставить RTU поддерживать точное линейное движение на многие метры.

Соответствие физическим требованиям для длинных ударов
Иногда скорость является основной целью проектирования RTU. Это особенно актуально, когда RTU перевозят роботов на расстояние более пары сотен футов или даже больше в специальных установках. Высокая скорость в контексте движущихся роботов (иногда руки весят тысячи фунтов плюс полезная нагрузка) является относительной. Однако некоторые RTU могут двигаться со скоростью более 10 футов в секунду с ускорением до одного g.

Но часто точность является основной целью проектирования RTU. Рассмотрим, например, приложение, в котором робот помогает коллективному производственному цеху выполнять обработку. В данном случае скорость и расширение рабочей зоны робота полезны только в том случае, если окружающая система может обеспечить высокую точность. Такие конструкции часто требуют точности до 0,02 мм и повторяемости позиционирования примерно до 0,2 мм во время движения гусениц.

Напротив, если приложение использует роботизированную руку для приложений, которые обеспечивают адаптивное управление темпами, но менее зависят от абсолютной точности, могут работать другие настройки. Это может даже принять форму мобильного транспортного средства, оснащенного роботизированной рукой, например, для разгрузки транспортных контейнеров.

Независимо от конструкции, низкие эксплуатационные расходы и длительный срок службы имеют решающее значение для всех установок RTU, поскольку они обычно связаны с более чем одной функцией установки и несколькими другими частями оборудования. Поэтому простой РТУ часто приводит к выводу из строя других станций.

Интегрированная безопасность также важна, поскольку многие RTU перемещают робототехнику через поля, заполненные дорогостоящим оборудованием, таким как станки или даже рабочие, особенно там, где они работают вокруг зон со сборочным персоналом.

Ремни, винты и пневматика для RTU
Роботизированные порталы, перемещающиеся на средние линейные расстояния, часто используют двигатели в паре с ременными приводами. Это относительно простые системы, в которых используются шкивы с приводом от электродвигателя для создания натяжения ремня и быстрого ускорения. Однако по мере того, как они достигают более длинного хода, могут возникнуть проблемы с провисанием ремней, если система не может поддерживать натяжение по всей длине. Чтобы внести ясность, проблема не в ограничении полезной нагрузки. Скорее, это риск потери движения из-за податливости ремня.

Есть исключения из предостережения о масштабируемости. В некоторых RTU ременные оси (приводимые от общего карданного вала) приводят в движение гармонические кривошипы. Здесь ременные приводы могут поддерживать точность позиционирования робота с длинным ходом в правильных условиях. В наиболее успешных RTU с ременным приводом используются рама и линейные гусеницы в взаимодополняющих ориентациях, чтобы добиться большей точности от установки с ременным приводом. Некоторые такие RTU с рельсовыми приводами с ременным приводом могут поддерживать повторяемость до ± 0,001 дюйма даже при перемещении однотонных роботов на расстояние десятков футов. Здесь (благодаря правильным направляющим) приводы с ременным приводом делают RTU более дешевыми и гибкими, чем альтернативы.

Другой вариант седьмой оси — ось с ШВП. Эта установка устраняет вибрацию и пружинение, которые могут возникнуть в ременных передачах. По сути, фиксированный механический элемент обеспечивает управление для точной остановки и позиционирования.

ШВП обычно хорошо работают в конструкциях длиной около шести метров с помощью прерывистых опор подшипников. На более длинных осях основная проблема заключается в том, что винты крутятся на высоких скоростях, особенно если они не получают достаточной поддержки. Это потому, что валы ШВП прогибаются под собственным весом. Затем на критической скорости (зависящей от диаметра винтового вала, прямолинейности, выравнивания и длины без опоры) движение возбуждает собственную частоту вала. Таким образом, максимальная скорость снижается по мере увеличения длины ШВП.

В некоторых конструкциях используются подшипниковые блоки, которые разделяются и складываются вместе, а затем остаются и поддерживают винт для более длительного выдвижения без ударов. Однако для очень длинных гусениц с шарико-винтовой передачей производители должны соединить несколько винтов (обычно с помощью клея, а не сварки, чтобы избежать деформации геометрии). В противном случае винт должен иметь очень большой диаметр, чтобы решить проблему биения. Ходы некоторых таких установок на основе ШВП достигают 10 метров и достигают 4000 об/мин. Еще одно предостережение: винты в гусеницах робота необходимо защищать от грязи и мусора. Однако там, где они работают, RTU, использующие электродвигатели в паре с шариковыми винтами, выдерживают большие нагрузки, чем оси с ременным приводом.

Также существуют гидравлические двигатели для установок с длинным ходом. Такие пневматические RTU обычно являются недорогим решением для приложений, требующих только двухпозиционного позиционирования вперед и назад. В среднем предложения перемещаются со скоростью 2 м/сек и интегрируются с другими элементами управления роботами.

Линейные двигатели для прецизионных RTU
В длинноходных RTU (например, для использования в лабораторной робототехнике) могут использоваться приводы с линейным двигателем. Большинство таких RTU также оснащены современной электроникой, абсолютными энкодерами и системой управления движением для отслеживания осей даже после ошибок или остановок.

Более типичный радиус действия линейного двигателя составляет четыре метра или около того. Такой радиус действия больше подходит для переноса и перемещения полупроводниковых пластин, чем для более тяжелых приложений RTU. Короче говоря, линейные двигатели в RTU представляют собой особую сложную задачу, поскольку они обеспечивают механическую точность, но должны нести большую полезную нагрузку. Это требует увеличения количества дорогих постоянных магнитов, благодаря которым линейные двигатели работают так хорошо.

Есть исключения. Один мировой рекордный RTU с тандемными линейными приводами был введен в эксплуатацию и изготовлен по индивидуальному заказу для системы автоматизации, требующей точного перемещения до 12 м. Жесткие алюминиевые опорные рельсы работают с двумя шестирядными линейными шарикоподшипниками рециркуляции и узлами направляющих. Двухщелевые синхронные линейные двигатели с выходным усилием до 4200 Н.

Реечные комплекты для RTU
Наиболее распространены коммерчески доступные RTU с реечными комплектами. Типичная длина достигает 15 метров. Управление линейным агрегатом интегрировано в контроллер робота в виде математически связанной оси, что исключает необходимость в дополнительном контроллере. Многие такие RTU сохраняют точность даже на расстоянии 30 метров благодаря сочетанию бесщеточного серводвигателя переменного тока и планетарного редуктора с шлифованными винтовыми реечными механизмами. В других установках используется каретка, которая перемещается по одностороннему рельсу на сверхмощных роликах в блоке. Здесь рельсы обычно имеют прямоугольную форму со стойкой, врезанной во внутренний край. Их можно соединить изогнутыми сегментами, если это удобно.

В некоторых RTU, которые перемещают робота по передвижной платформе, используются рельсы с плоской поверхностью, изготовленные из закаленной стали, которые соединены с группами кулачковых толкателей. Другие используют электродвигатель с винтовым коническим редуктором и ремнем для привода платформы. Затем на длинной оси челнока RTU оснащен электрическим мотор-редуктором, приводящим в движение шестерню, включающую рейку.

Моделирование и программирование RTU
Существуют инструменты, позволяющие инженерам планировать пути движения RTU и координировать их с функциями робота. Программное обеспечение для моделирования роботов и даже некоторые модули контроллеров движения позволяют инженерам планировать пути, загружать полученное программное обеспечение в контроллер, а затем управлять роботом и RTU с помощью одного аппаратного обеспечения.

Другой вариант — программное обеспечение от специализированных компаний-разработчиков программного обеспечения, которые продают комплекты для разработки роботов, которые позволяют программировать роботов практически любой марки через API. Эти и множество других программных инструментов упрощают настройку робота, как никогда, особенно для команд со средним опытом управления движением или ЧПУ. Первоначальные итерации дизайна обычно происходят посредством автономного программирования на ПК. Затем, когда персонал устанавливает робота и RTU, программное обеспечение генерирует код, который загружается в элементы управления. Программное обеспечение управляет RTU и роботом по запрограммированным маршрутам для проверки на наличие проблем. Затем установщик использует подвесной пульт для позиционирования захвата, резака или концевого исполнительного органа робота в определенных для работы точках пространства, в то время как контроллер записывает перемещения. В противном случае установщики могут использовать подвесной модуль для всей установки, а затем отшлифовывать траектории на серверной части — подход, который становится все более распространенным.

Предостережение: RTU усложняют калибровку робота.
После физической настройки RTU и роботы нуждаются в калибровке. Загвоздка в том, что промышленные роботы в паре с RTU часто совершают повторяемые, но неточные движения, поэтому их выходное движение отличается от приближений моделирования. Сами по себе промышленные роботы имеют среднюю однонаправленную повторяемость от 0,1 до 0,01 мм. Типичные оси соединяют редуктор и двигатель с нулевым люфтом, а контроллер отслеживает их все с помощью энкодеров высокого разрешения. Дальнейшее повышение точности выходного движения становится дорогостоящим, поскольку узлы и компоненты, такие как зубчатая передача, приводят к потерям движения (в основном из-за механической податливости). Поэтому средствам управления часто приходится компенсировать погрешность позиционирования в некоторых случаях в миллиметрах.

Традиционная калибровка роботов требует дорогостоящего лазерного выравнивания. Иногда это может уменьшить ошибку вывода в двадцать раз. В противном случае производители роботов предлагают заводскую калибровку. Специализированные компании, занимающиеся калибровкой роботов, также предлагают услуги, которые могут учитывать влияние дополнительного RTU на общую точность роботов. В противном случае датчики с двумя камерами позволяют осуществлять зондовый контроль и динамические измерения с помощью оптики и специального освещения. Механические режимы калибровки — еще один вариант, хотя их сложнее применить к роботам на длинных трассах.