Системы позиционирования роботов представляют собой длинные направляющие, используемые на складах, в аэрокосмической и автомобильной промышленности для выполнения одним роботом нескольких задач. Эти системы перемещения, также называемые робототехническими транспортными устройствами (RTU) или системами 7-й оси, становятся все более распространенными в сборке, крупномасштабной сварке и складском хозяйстве.

В отличие от типичных систем, где робот крепится к полу болтами, RTU перемещают роботов по рабочим зонам и заводам, а также перебрасывают их между станциями. Наилучшие условия для использования RTU — это строящиеся объекты или системы, где технологические процессы и связанные с ними машины могут быть расположены в прямой линии. В системах RTU для перемещения шестиосевых роботов линейные направляющие иногда также называют седьмой осью (или, реже, если сам робот имеет семь степеней свободы, восьмой осью). Когда эти направляющие являются частью рамы, включая рамы, на которых подвешен робот, они называются портальными.

Независимо от типа робота или морфологии направляющей, цель дополнительной оси — добавить поступательное движение. Это либо расширяет рабочую зону, либо позволяет роботу перемещать заготовки или инструменты. В некоторых конфигурациях первое позволяет роботу обслуживать несколько станков, брать поддоны из рядов или обрабатывать очень крупные детали. Что касается второго, то распространенными областями применения являются упаковка, сварка, плазменно-дуговая резка и другие механические задачи.

Здесь мы сосредоточимся на вариантах привода для RTU. Однако следует отметить, что инженерам также необходимо выбрать один из множества направляющих и подшипников (обычно в виде кулачковых толкателей или профильных направляющих).

Вариантов конструкции и привода для RTU множество.
Хотя некоторые портальные конструкции включают в себя рамы для переворачивания роботов и их подвешивания для лучшего доступа к машинам сверху, наиболее распространены RTU, которые крепятся болтами к полу и устанавливают робота в вертикальное положение. Эти RTU в среднем имеют большую полезную нагрузку, перевозя роботизированные манипуляторы и захватываемые грузы весом в тысячи килограммов.

Инженеры могут приобрести готовые комплекты RTU или собрать их самостоятельно, используя свой опыт в области систем управления движением. Простейшие варианты — это пары линейных направляющих с платформами, к которым крепится робот. Однако многие производители оригинального оборудования привлекают специализированных интеграторов для ситуаций, когда роботы на RTU будут выполнять высокоточные задачи — например, резку (где конструкция должна синхронизировать сочленение нескольких осей) или перемещение отливок между различными станками для обработки.

Самая большая сложность при проектировании роботизированных транспортных устройств заключается в их программировании для синхронизации с шарнирными соединениями роботизированных манипуляторов, которые они несут. Вторая по значимости сложность — обеспечение точного линейного перемещения роботизированных транспортных устройств на протяжении многих метров.

Соответствие физическим требованиям для выполнения длинного инсульта
Иногда скорость является первостепенной задачей при проектировании RTU. Это особенно верно, когда RTU перемещают роботов на расстояние более нескольких сотен футов или даже больше в специализированных конфигурациях. Высокая скорость в контексте перемещения роботов — иногда манипуляторов весом в тысячи фунтов плюс их полезная нагрузка — является относительным понятием. Однако некоторые RTU могут двигаться со скоростью более 10 футов/сек с ускорением до одной g.

Однако зачастую первостепенной задачей при проектировании RTU является точность. Рассмотрим, например, приложение, в котором робот помогает рабочей ячейке в обработке материалов. В этом случае скорость и расширение рабочей зоны робота полезны только в том случае, если окружающая конструкция обеспечивает высокую точность. В таких конструкциях часто требуется точность до 0,02 мм и повторяемость позиционирования около 0,2 мм во время перемещения по направляющим.

Напротив, если в приложениях используется роботизированная рука для задач, требующих адаптивного управления, но менее зависимых от абсолютной точности, могут подойти и другие варианты. Это может даже представлять собой мобильное транспортное средство, оснащенное роботизированной рукой, например, для разгрузки морских контейнеров.

Независимо от конструкции, низкие затраты на техническое обслуживание и длительный срок службы имеют решающее значение для всех установок RTU, поскольку они, как правило, связаны с выполнением более чем одной функции предприятия и несколькими другими элементами оборудования. Поэтому простой RTU часто приводит к выводу из строя других станций.

Комплексная безопасность также важна, поскольку многие RTU перемещают робототехнику по полям, заполненным дорогостоящим оборудованием, таким как станки или даже рабочие, особенно там, где они работают вблизи зон с персоналом сборочного цеха.

Ремни, винты и пневматические компоненты для RTU
Портальные роботы, перемещающиеся на средние линейные расстояния, часто используют двигатели в паре с ременными приводами. Это относительно простые системы, использующие приводимые в движение электродвигателями шкивы для создания натяжения ремня и быстрого ускорения. Однако при увеличении хода ремня могут возникнуть проблемы с его провисанием, если система не сможет поддерживать натяжение по всей длине. Следует уточнить, что проблема заключается не в ограничении грузоподъемности, а в риске потери движения из-за податливости ремня.

Существуют исключения из правила масштабируемости. В некоторых RTU ременные приводы (приводимые в движение от общего карданного вала) приводят в движение кривошипные валы. В этом случае ременные приводы могут поддерживать точность позиционирования роботов с большим ходом при определенных условиях. В большинстве успешных RTU с ременным приводом используются рамы и линейные направляющие в взаимодополняющих ориентациях для достижения большей точности от ременной передачи. Некоторые такие RTU с ременными приводами на направляющих могут обеспечивать повторяемость до ± 0,001 дюйма даже при перемещении роботов весом в одну тонну на десятки футов. В этом случае (благодаря подходящим направляющим) ременные приводы делают RTU дешевле и гибче, чем альтернативные варианты.

Еще один вариант для седьмой оси — это ось с шариковинтовым приводом. Такая конструкция решает проблему вибрации и пружинения, которые могут возникать в ременных передачах. По сути, неподвижный механический элемент обеспечивает точное управление для остановки и позиционирования.

Шариковые винты, как правило, хорошо работают в установках длиной до шести метров с помощью прерывистых опор подшипников. На более длинных осях основная проблема заключается в том, что винты начинают сильно изгибаться на высоких скоростях, особенно если им не хватает опоры. Это происходит потому, что валы шариковых винтов изгибаются под собственным весом. Затем при критической скорости (зависящей от диаметра вала винта, его прямолинейности, соосности и длины без опоры) движение возбуждает собственную частоту колебаний вала. Поэтому максимальная скорость снижается с увеличением длины шарикового винта.

В некоторых конструкциях используются подшипниковые блоки, которые разделяются и складываются вместе, а затем остаются в исходном положении, поддерживая винт для более длинного хода без люфта. Однако для сверхдлинных гусениц с шариковинтовой передачей производителям приходится соединять несколько винтов (обычно клеем, а не сваркой, чтобы избежать деформации). В противном случае винт должен иметь очень большой диаметр, чтобы решить проблему люфта. Ход некоторых таких конструкций на основе шариковинтовой передачи достигает 10 метров, а частота вращения — 4000 об/мин. Еще одно замечание: винты в гусеницах роботов нуждаются в защите от грязи и мусора. Однако там, где они работают, роботизированные блоки, использующие электродвигатели в паре с шариковинтовыми передачами, справляются с большими нагрузками, чем оси с ременной передачей.

Существуют также гидравлические системы для длинноходовых установок. Такие пневматические RTU обычно представляют собой недорогое решение для применений, требующих только двухпозиционного позиционирования вперед-назад. В среднем, предлагаемые варианты обеспечивают скорость перемещения 2 м/с и интегрируются с другими системами управления роботами.

Линейные двигатели для высокоточных RTU
В блоках дистанционного управления с большим ходом (например, для использования в лабораторной робототехнике) могут применяться линейные двигатели. Большинство таких блоков также включают в себя современную электронику, абсолютные энкодеры и системы управления движением для отслеживания осей даже после ошибок или остановок.

Обычно линейный двигатель имеет радиус действия около четырех метров. Такой радиус действия больше подходит для операций захвата и перемещения полупроводниковых пластин, чем для более тяжелых приложений RTU. Короче говоря, линейные двигатели в RTU представляют собой особую сложность, поскольку они обеспечивают механическую точность, но должны перемещать тяжелые грузы. Это требует использования большего количества дорогостоящих постоянных магнитов, которые обеспечивают столь высокую производительность линейных двигателей.

Есть исключения. Один из рекордных по скорости пультов дистанционного управления с тандемными линейными актуаторами был изготовлен на заказ для автоматизированной системы, требующей точных перемещений на расстояние до 12 м. Жесткие алюминиевые направляющие работают в паре с двумя шестирядными линейными шарикоподшипниками и направляющими узлами. Два синхронных линейных двигателя с пазами обеспечивают усилие до 4200 Н.

Реечные передачи для RTU
Наиболее распространены коммерчески доступные роботизированные блоки (RTU), использующие реечные передачи. Типичная длина достигает 15 метров. Управление линейным блоком интегрировано в контроллер робота в виде математически связанной оси, что исключает необходимость в дополнительном контроллере. Многие такие RTU сохраняют точность даже при ходе в 30 метров за счет сочетания бесщеточного серводвигателя переменного тока и планетарного редуктора с шлифованными винтовыми реечными передачами. Другие конструкции используют каретку, которая перемещается по односторонней направляющей на мощных роликах в блоке. Здесь направляющие обычно прямоугольные, с зубчатой ​​рейкой, вырезанной на внутренней кромке. Они могут соединяться с изогнутыми сегментами, если это удобно.

В некоторых роботизированных модулях, перемещающих робота по платформе, используются плоские направляющие из закаленной стали в сочетании с кулачковыми механизмами. В других используется электродвигатель с косозубым редуктором и ремнем для привода платформы. На длинной оси челнока роботизированный модуль оснащен электродвигателем с редуктором, приводящим в движение шестерню, зацепляющуюся с зубчатой ​​рейкой.

Моделирование и программирование RTU
Существуют инструменты, позволяющие инженерам планировать траектории движения RTU и координировать их с функциями робота. Программное обеспечение для моделирования роботов и даже некоторые модули управления движением позволяют инженерам планировать траектории, загружать полученное программное обеспечение на контроллер, а затем управлять роботом и RTU с помощью этого единственного аппаратного средства.

Другой вариант — программное обеспечение от специализированных компаний, продающих 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 работы с системами управления движением или ЧПУ. Первоначальные итерации проектирования обычно происходят с помощью автономного программирования на ПК. Затем, когда персонал устанавливает робота и RTU, программное обеспечение генерирует код, который загружается в систему управления. Программа управляет RTU и роботом по запрограммированным траекториям для проверки на наличие проблем. Далее установщик использует пульт управления для позиционирования захвата, режущего инструмента или концевого манипулятора робота в определенных точках пространства, в то время как контроллер записывает движения. В противном случае установщики могут использовать пульт управления для всей настройки, а затем корректировать траектории на этапе постобработки — это все более распространенный подход.

Предостережение: RTU усложняют калибровку робота.
После физической настройки RTU и роботы нуждаются в калибровке. Проблема в том, что промышленные роботы, работающие в паре с RTU, часто совершают повторяющиеся, но неточные движения, поэтому выходные данные отличаются от приближений, полученных в результате моделирования. Сами по себе промышленные роботы в среднем обеспечивают однонаправленную повторяемость от 0,1 мм до 0,01 мм. Типичные оси работают в паре с редуктором с нулевым люфтом и двигателем, а контроллер отслеживает их все с помощью высокоточных энкодеров. Дальнейшее повышение точности выходного движения становится дорогостоящим, поскольку узлы и компоненты, такие как зубчатые передачи, вносят потери в движение (в основном из-за механической податливости). Поэтому в некоторых случаях системам управления часто приходится компенсировать погрешность позиционирования в масштабе миллиметров.

Традиционная калибровка роботов использует дорогостоящую лазерную юстировку. Иногда это может уменьшить погрешность выходного сигнала в двадцать раз. В противном случае производители роботов предлагают заводскую калибровку. Специализированные компании по калибровке роботов также предлагают услуги, которые могут учитывать влияние дополнительного блока RTU на общую точность работы робота. Кроме того, двухкамерные датчики позволяют проводить зондирующий контроль и динамические измерения с помощью оптики и специального освещения. Механические методы калибровки — еще один вариант, хотя их сложнее применять к роботам на длинных рельсах.