Системы позиционирования роботов — это длинные дорожки на складах, в аэрокосмической и автомобильной промышленности, позволяющие одному роботу выполнять несколько задач. Также называемые роботизированными транспортными узлами или RTU или системами 7-й оси, эти конструкции движения все чаще используются для сборки, крупномасштабной сварки и складирования.

В отличие от типичных установок, в которых робот крепится к полу, RTU перемещают роботов по рабочим ячейкам и фабрикам и перевозят их между станциями. Лучшими установками для RTU являются те, которые только что построены, или те, в которых процессы и связанные с ними машины могут быть размещены в прямой ряд. Когда RTU перемещают шестиосных роботов, линейные пути также иногда называют седьмой осью (или реже, когда сам робот имеет семь степеней свободы, восьмой осью). Когда эти пути являются частью рамы, включая рамы, на которых висит робот, они являются порталами.

Независимо от морфологии робота или дорожки, смысл дополнительной оси заключается в добавлении поступательного движения. Это либо расширяет рабочую зону, либо позволяет роботу транспортировать заготовки или инструменты. В некоторых конфигурациях первое позволяет роботу обслуживать несколько машин или выбирать поддоны из рядов, или обрабатывать очень большие компоненты. Для последнего обычными областями применения являются упаковка, сварка, плазменная резка и другие механические задачи.

Здесь мы сосредоточимся на вариантах привода для RTU. Однако следует отметить, что инженеры также должны выбрать между набором направляющих и подшипников (обычно в виде кулачковых толкателей или профильных направляющих).

Множество вариантов конструкции и привода для RTU
Хотя некоторые порталы включают каркас для переворачивания роботов и подвешивания их для лучшего доступа к машинам сверху, RTU, которые крепятся болтами к полу и ориентируют робота вертикально, являются наиболее распространенными. Такие RTU имеют в среднем более высокую полезную нагрузку, неся роботизированные руки и захватываемые грузы весом в тысячи фунтов.

Инженеры могут купить готовые RTU или собрать RTU самостоятельно, используя экспертизу систем движения. Простейшими являются пары линейных направляющих, несущие платформы, к которым крепится робот. Однако многие OEM-производители привлекают специализированных интеграторов для ситуаций, когда роботы на RTU будут выполнять высокоточные работы, например, задачу резки (где конструкция должна синхронизировать сочленение нескольких осей) или перемещение отливок через различные станки для обработки.

Самая большая проблема в проектировании роботизированных транспортных устройств — программирование их для синхронизации с сочленением роботизированных рук, которые они несут. Вторая по величине проблема — заставить RTU поддерживать точное линейное движение на протяжении многих метров.

Удовлетворение физических требований для длинных гребков
Иногда скорость является первостепенной целью проектирования RTU. Это особенно верно, когда RTU переносят роботов на расстояние в пару сотен футов или даже больше в специальных установках. Высокая скорость в контексте перемещения роботов — иногда руки весом в тысячи фунтов плюс их полезная нагрузка — относительна. Однако некоторые RTU могут двигаться со скоростью более 10 футов/сек с ускорением до одного g.

Но часто точность является первостепенной целью проектирования RTU. Рассмотрим, например, приложение, в котором робот помогает кооперативной рабочей ячейке с обработкой. Здесь скорость и расширение рабочей зоны робота полезны только в том случае, если окружающая структура может удерживать точность. Такие конструкции часто требуют точности до 0,02 мм и повторяемости позиционирования до 0,2 мм или около того во время движения по траектории.

Напротив, если приложение использует руку робота для приложений, которые подвергают адаптивные элементы управления испытаниям, но менее зависимы от абсолютной точности, другие настройки могут работать. Это может даже принять форму мобильного транспортного средства, оснащенного рукой робота, например, для разгрузки грузовых 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 завода и несколькими другими частями оборудования. Поэтому простой RTU часто выводит из строя другие станции.

Интегрированная безопасность также важна, поскольку многие RTU перемещают робототехнику по полям, заполненным дорогостоящим оборудованием, таким как станки, или даже рабочими, особенно там, где они работают вблизи зон с персоналом, занимающимся сборкой.

Ремни, винты и пневматика для RTU
Роботизированные порталы, проходящие средние линейные расстояния, часто используют двигатели в паре с ременными приводами. Это относительно простые системы, которые используют шкивы с электроприводом для создания натяжения вдоль ремня и быстрого ускорения. Однако по мере того, как они достигают более длинных ходов, могут возникнуть проблемы с провисанием ремней, если система не может поддерживать натяжение по всей длине. Чтобы было ясно, проблема заключается не в ограничении полезной нагрузки. Скорее, это риск потери движения из-за податливости ремня.

Существуют исключения из условия масштабируемости. В некоторых RTU ременные оси (приводимые в действие общим приводным валом) приводят в действие гармонические кривошипы. Здесь ременные приводы могут поддерживать точность для позиционирования робота с большим ходом при правильных условиях. Большинство успешных RTU с ременным приводом используют каркас и линейные дорожки в дополнительных ориентациях, чтобы получить большую точность от установки с ременным приводом. Некоторые такие RTU с приводными рельсовыми приводами с ременным приводом могут поддерживать повторяемость до ± 0,001 дюйма, даже при перемещении однотонных роботов на десятки футов. Здесь (благодаря правильным рельсам) приводы с ременным приводом делают RTU более дешевыми и гибкими, чем альтернативы.

Другой вариант для седьмой оси — ось с шарико-винтовым приводом. Эта установка решает проблему вибрации и пружинения, которые могут возникать в ременных приводах. По сути, фиксированный механический элемент сохраняет контроль для точной остановки и позиционирования.

Шарико-винтовые передачи обычно хорошо работают в установках длиной около шести метров с помощью прерывистых опор подшипников. На более длинных осях основная проблема заключается в том, что винты бьют на высоких скоростях, особенно если они не получают достаточной поддержки. Это происходит потому, что валы шарико-винтовых передач изгибаются под собственным весом. Затем на критической скорости (функция диаметра вала винта, прямолинейности, выравнивания и неподдерживаемой длины) движение возбуждает собственную частоту вала. Таким образом, максимальная скорость снижается по мере увеличения длины шарико-винтовой передачи.

В некоторых установках используются подшипниковые блоки, которые разделяются и складываются вместе, а затем остаются и поддерживают винт для более длительного расширения без биения. Однако для сверхдлинных дорожек с шарико-винтовым приводом производители должны соединять несколько винтов (обычно с помощью клея вместо сварки, чтобы избежать деформации геометрии). В противном случае винт должен иметь сверхбольшой диаметр, чтобы решить проблему биения. Ходы некоторых таких установок на основе шарико-винтового привода достигают 10 метров и работают со скоростью до 4000 об/мин. Еще одно предостережение: винты в дорожках робота нуждаются в защите от грязи и мусора. Однако там, где они работают, RTU, использующие электродвигатели в паре с шарико-винтовыми приводами, выдерживают большие нагрузки, чем оси с ременным приводом.

Также существуют гидравлические приводы для установок с длинным ходом. Такие пневматические RTU обычно являются недорогим решением для приложений, которым требуется только двухпозиционное позиционирование вперед-назад. Средние предложения движутся со скоростью 2 м/с и интегрируются с другими элементами управления робота.

Линейные двигатели для прецизионных RTU
Длинноходовые RTU (например, для использования в лабораторной робототехнике) могут использовать приводы с линейными двигателями. Большинство таких RTU также включают в себя современную электронику, абсолютные энкодеры и управление движением для отслеживания осей, даже после ошибок или отключений.

Более типичный радиус действия линейного двигателя составляет около четырех метров. Такой радиус действия больше подходит для захвата и перемещения полупроводниковых пластин, чем для более тяжелых приложений RTU. Короче говоря, линейные двигатели в RTU особенно сложны, поскольку они обеспечивают механическую точность, но должны переносить тяжелые грузы. Это требует большего количества дорогих постоянных магнитов, которые делают линейные двигатели такими эффективными.

Есть исключения. Один мировой рекорд RTU с тандемными линейными приводами был введен в эксплуатацию и изготовлен по индивидуальному заказу для автоматизированной установки, требующей точных перемещений до 12 м. Жесткие алюминиевые опорные рельсы работают с двумя шестирядными линейными рециркуляционными шарикоподшипниками и направляющими узлами. Двойные пазовые синхронные линейные двигатели выдают усилие до 4200 Н.

Реечные передачи для RTU
Наиболее распространены коммерчески доступные RTU, использующие наборы реек и шестерен. Типичные длины достигают 15 метров. Управление линейным блоком интегрировано как математически связанная ось в контроллере робота, что устраняет необходимость в дополнительном контроллере. Многие такие RTU поддерживают точность даже до ходов в 30 метров, соединяя бесщеточный серводвигатель переменного тока и планетарный редуктор с наборами реек и шестерен с винтовой наземной рейкой. Другие установки используют каретку, которая движется по одностороннему рельсу на сверхпрочных роликах в блоке. Здесь рельсы обычно прямоугольные с рейкой, вырезанной во внутреннем крае. Они могут соединяться с изогнутыми сегментами, где это полезно.

Некоторые RTU, которые перемещают робота по движущейся платформе, используют плоские рельсы из закаленной стали и соединяют их с кластерами кулачковых толкателей. Другие используют электродвигатель с редуктором с винтовой конической передачей и ремнем для питания платформы. Затем на длинной оси челнока RTU оснащен электрическим редукторным двигателем, приводящим в движение шестерню, зацепляющую рейку.

Моделирование и программирование RTU
Существуют инструменты, позволяющие инженерам планировать пути 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 на контроллер, а затем управлять роботом и RTU с помощью этого одного оборудования.

Другой вариант — программное обеспечение от специализированных компаний-разработчиков программного обеспечения, которые продают комплекты для разработки роботов, позволяющие программировать большинство роботов любой марки через API. Эти и множество других программных инструментов делают настройку робота проще, чем когда-либо, особенно для команд с умеренным опытом управления движением или ЧПУ. Первоначальные итерации проектирования обычно происходят посредством офлайн-программирования ПК. Затем, когда персонал устанавливает робота и RTU, программное обеспечение для программирования порождает код, который загружается в элементы управления. Программное обеспечение проводит RTU и робота по запрограммированным траекториям для проверки на наличие проблем. Затем установщик использует подвесной пульт для позиционирования захвата, резака или конечного эффектора робота в конкретных точках пространства, в то время как контроллер записывает движения. В противном случае установщики могут использовать подвесной пульт для всей настройки, а затем отшлифовать траектории на бэкэнде — все более распространенный подход.

Предостережение: RTU усложняют калибровку робота.
После физической настройки RTU и роботам требуется калибровка. Проблема в том, что промышленные роботы в паре с RTU часто совершают повторяемые, но не точные движения, поэтому выдают выходное движение, которое отличается от приближений моделирования. В одиночку промышленные роботы в среднем имеют однонаправленную повторяемость от 0,1 мм до 0,01 мм. Типичные оси соединяют редуктор с нулевым люфтом и двигатель, а контроллер отслеживает их все с помощью энкодеров высокого разрешения. Дальнейшее повышение точности выходного движения становится дорогостоящим, поскольку узлы и компоненты, такие как зубчатые передачи, вносят потерянное движение (в основном из-за механического соответствия). Поэтому элементы управления часто должны компенсировать позиционную погрешность в масштабе миллиметров в некоторых случаях.

Традиционная калибровка робота использует дорогостоящую лазерную юстировку. Иногда это может уменьшить ошибку вывода в двадцать раз. В противном случае производители роботов предлагают заводскую калибровку. Специализированные компании по калибровке роботов также предлагают услуги, которые могут учитывать влияние добавленного RTU на общую точность вывода робота. В противном случае датчики с двумя камерами позволяют проводить зондирующий осмотр и динамические измерения с помощью оптики и специального освещения. Механические режимы калибровки являются еще одним вариантом, хотя их сложнее применять к роботам на длинных дорожках.