Системи позиціонування роботів — це довгі треки на складських, аерокосмічних і автомобільних підприємствах, які дозволяють одному роботу виконувати кілька завдань. Ці механізми руху, які також називають роботами-переносниками, або RTU, або системами 7-ї осі, стають все більш поширеними для складання, великомасштабного зварювання та складування.

На відміну від типових установок, у яких робот прикручується до підлоги, RTU переміщують роботів робочими камерами та фабриками та курсують між станціями. Найкраще налаштування для RTU – це ті, що тільки будуються, або ті, де процеси та пов’язані машини можна поставити в один ряд. Там, де RTU пересувають шестиосьових роботів, лінійні рейки також іноді називають сьомою віссю (або рідше, коли сам робот має сім ступенів свободи, восьмою віссю). Коли ці доріжки є частиною рами, включно з рамами, на яких висить робот, вони називаються порталами.

Незалежно від морфології робота чи гусениці, суть додаткової осі полягає в додаванні поступального руху. Це або розширює робочу зону, або дозволяє роботу транспортувати заготовки чи інструменти. У деяких випадках перше дозволяє роботу обслуговувати кілька машин, підбирати піддони з рядів або обробляти дуже великі компоненти. Для останнього загальними застосуваннями є пакування, зварювання, різання плазмовою дугою та інші механічні завдання.

Тут ми зосереджуємося на варіантах приводів для RTU. Однак зауважте, що інженери також повинні вибрати між набором напрямних і підшипниками (зазвичай у формі кулачкових опор або профільних напрямних).

Варіантів конструкції та приводу для RTU достатньо
Хоча деякі портали включають каркас для перевертання роботів і підвішування їх для кращого доступу до машин зверху, найчастіше зустрічаються RTU, які прикручуються до підлоги та орієнтують робота вертикально. Ці RTU мають у середньому вищі корисні навантаження, перевозячи руки роботів і захоплені вантажі вагою в тисячі фунтів.

Інженери можуть купувати готові RTU або будувати RTU власними силами, використовуючи знання систем руху. Найпростішими є лінійні пари доріжок, які несуть платформи, до яких прикручується робот. Однак багато OEM-виробників залучають спеціалізованих інтеграторів для ситуацій, коли роботи на RTU виконуватимуть високоточні роботи, наприклад, завдання різання (де конструкція має синхронізувати артикуляцію кількох осей) або переміщення виливків через різні верстати для обробки.

Найбільша складність у розробці пристроїв для перенесення роботів полягає в тому, щоб запрограмувати їх для синхронізації з артикуляцією рук робота, які вони носять. Друга найбільша проблема полягає в тому, щоб RTU підтримували точний лінійний рух протягом багатьох метрів.

Відповідає фізичним вимогам для довгих гребків
Іноді головною метою проектування RTU є швидкість. Це особливо вірно, коли RTU перевозять роботів понад пару сотень футів або навіть більше в спеціальних установках. Висока швидкість у контексті рухомих роботів (іноді рука вагою в тисячі фунтів плюс корисне навантаження) є відносною. Однак деякі RTU можуть рухатися зі швидкістю понад 10 футів/с із прискоренням до одного g.

Але часто головною метою проектування RTU є точність. Розглянемо, наприклад, програму, де робот допомагає кооперативній робочій клітці з механічною обробкою. Тут швидкість і розширення робочого простору робота корисні лише в тому випадку, якщо навколишній каркас може підтримувати точність. Для таких конструкцій часто потрібна точність до 0,02 мм і повторюваність позиціонування до 0,2 мм або близько того під час руху по доріжці.

Навпаки, якщо програма використовує манипулятор робота для додатків, які забезпечують адаптивне керування через кроки, але менш залежать від абсолютної точності, інші налаштування можуть працювати. Це може бути навіть мобільний транспортний засіб, оснащений рукою робота, наприклад, для розвантаження транспортних контейнерів.

Незалежно від конструкції, низькі витрати на обслуговування та тривалий термін служби є вирішальними для всіх установок RTU, оскільки вони зазвичай пов’язані з більш ніж однією функцією установки та декількома іншими частинами обладнання. Тому простої RTU часто виводять з ладу інші станції.

Інтегрована безпека також важлива, оскільки багато RTU переміщують робототехніку через поля, де є дороге обладнання, наприклад верстати або навіть робітники, особливо там, де вони працюють навколо зон із монтажним персоналом.

Ремені, гвинти та пневматика для RTU
Роботизовані портали, які долають лінійні відстані середнього діапазону, часто використовують двигуни в парі з пасовими передачами. Це відносно прості системи, які використовують шківи з електродвигуном для створення натягу вздовж ременя та швидкого прискорення. Однак, коли вони досягають більших ходів, можуть виникнути проблеми з провисанням ременів, якщо система не може підтримувати натяг по всій довжині. Щоб було зрозуміло, проблема не в обмеженні корисного навантаження. Швидше, це ризик втрати руху через відповідність ременя.

Існують винятки із застереження щодо масштабованості. У деяких RTU ремінні осі (приводяться в дію від загального карданного вала) приводять в дію гармонічні кривошипи. Тут пасові передачі можуть підтримувати точність для роботизованого позиціонування з довгим ходом за відповідних умов. Більшість успішних RTU з ремінним приводом використовують каркасні та лінійні гусениці в взаємодоповнюючих орієнтаціях, щоб отримати більшу точність від установки з ремінним приводом. Деякі такі RTU з рейковими приводами з ремінним приводом можуть підтримувати повторюваність до ± 0,001 дюйма навіть під час переміщення однотонних роботів на десятки футів. Тут (завдяки правильним напрямним) приводи з ремінним приводом створюють RTU, які дешевші та гнучкіші, ніж альтернативи.

Іншим варіантом сьомої осі є вісь з кульковим гвинтом. Це налаштування усуває вібрацію та пружину, які можуть виникати в пасових передачах. По суті, фіксований механічний елемент забезпечує контроль для точної зупинки та позиціонування.

Кульково-гвинтові гвинти, як правило, добре працюють у установках довжиною приблизно шість метрів за допомогою переривчастих підшипникових опор. На довших осях основна проблема полягає в тому, що гвинти крутяться на високих швидкостях, особливо якщо вони не мають достатньої опори. Це тому, що кулькові гвинти згинаються під власною вагою. Потім на критичній швидкості (залежить від діаметра гвинтового валу, прямолінійності, вирівнювання та довжини без підтримки) рух збуджує власну частоту валу. Отже, максимальна швидкість зменшується зі збільшенням довжини гвинта.

У деяких установках використовуються опорні блоки, які відокремлюються та згортаються разом, а потім залишаються та підтримують гвинт для довшого подовження без зсуву. Однак для наддовгих гусеничних гвинтів виробники повинні з’єднувати кілька гвинтів (зазвичай за допомогою клею замість зварювання, щоб уникнути деформації геометрії). В іншому випадку гвинт повинен мати надзвичайно великий діаметр, щоб вирішити проблему хлиста. Хобди деяких таких гвинтових установок досягають 10 метрів і досягають 4000 об/хв. Ще одне застереження: гвинти в гусеницях роботів потребують захисту від бруду та сміття. Однак там, де вони працюють, RTU, які використовують електродвигуни в парі з кульковими гвинтами, справляються з більшими навантаженнями, ніж осі з ремінним приводом.

Також існує рідинна потужність для установок із тривалим розпалюванням. Такі пневматичні RTU зазвичай є недорогим рішенням для додатків, які потребують лише позиціонування вперед і назад із двома зупинками. Середні пропозиції рухаються 2 м/с і інтегруються з іншими елементами керування роботами.

Лінійні двигуни для точних RTU
Довгоходові RTU (наприклад, для використання в лабораторній робототехніці) можуть використовувати приводи з лінійним двигуном. Більшість таких RTU також включають найсучаснішу електроніку, абсолютні кодери та керування рухом для відстеження осей, навіть після помилок або відключень.

Більш типовий радіус дії лінійного двигуна становить чотири метри або близько того. Такий радіус дії більше підходить для роботи з напівпровідниковими пластинами, ніж для більш важких застосувань RTU. Коротше кажучи, лінійні двигуни в RTU є особливо складними, оскільки вони забезпечують механічну точність, але повинні нести велике корисне навантаження. Це вимагає більшої кількості дорогих постійних магнітів, завдяки яким лінійні двигуни працюють так добре.

Бувають винятки. Один світовий рекорд RTU з тандемними лінійними приводами був введений в експлуатацію та створений на замовлення для установки автоматизації, яка потребує точності переміщень до 12 м. Жорсткі алюмінієві опорні рейки працюють з двома шестирядними шарикопідшипниками лінійного рециркуляції та напрямними. Синхронні лінійні двигуни з двома щілинами видають зусилля до 4200 Н.

Рейкові комплекти для RTU
Найбільш поширеними є комерційно доступні RTU, які використовують зубчасту рейку. Типова довжина досягає 15 метрів. Керування лінійним блоком інтегровано як математично пов’язану вісь у контролер робота, що усуває потребу в додатковому контролері. Багато таких RTU зберігають точність навіть до ходів у 30 метрів завдяки поєднанню безщіткового серводвигуна змінного струму та планетарної коробки передач із шліфованими спіральними зубчастими рейками. В інших установках використовується каретка, яка пересувається по рейці з одним краєм на потужних роликах у блоці. Тут рейки зазвичай мають прямокутну форму зі стійкою, вирізаною на внутрішньому краю. Вони можуть об’єднуватися за допомогою вигнутих сегментів, де це корисне розташування.

Деякі RTU, які пересувають робота навколо рухомої платформи, використовують рейки з плоскою поверхнею, виготовлені із загартованої сталі, і поєднують їх із кластерами кулачкового слідкувача. Інші використовують для живлення платформи електродвигун зі спіральним конічним редуктором і ременем. Потім на довгій осі човника RTU оснащений електричним мотор-редуктором, що приводить в рух шестерню, що з’єднує рейку.

Моделювання та програмування RTU
Існують інструменти, які дозволяють інженерам планувати маршрути RTU та координувати їх із функціями роботів. Програмне забезпечення для моделювання роботів і навіть деякі модулі контролера руху дозволяють інженерам планувати треки, завантажувати отримане програмне забезпечення на контролер, а потім керувати роботом і RTU за допомогою цього єдиного апаратного забезпечення.

Іншим варіантом є програмне забезпечення від спеціалізованих програмних компаній, які продають набори для розробки роботів, які дозволяють програмувати майже будь-яку марку робота через API. Ці та безліч інших програмних інструментів спрощують налаштування робота, особливо для команд із помірним досвідом керування рухами чи ЧПК. Початкові ітерації дизайну зазвичай відбуваються через офлайн-програмування ПК. Потім, коли персонал встановлює робота та RTU, програмне забезпечення для програмування створює код, який завантажується в елементи керування. Програмне забезпечення керує RTU та роботом запрограмованими шляхами, щоб перевірити наявність проблем. Далі інсталятор використовує підвіску, щоб розташувати захоплення, різець або кінцевий ефектор робота в певних точках у просторі, у той час як контролер записує рухи. В іншому випадку інсталятори можуть використовувати кулон для всього налаштування, а потім відшліфувати траєкторії на серверній частині — підхід, який стає все більш поширеним.

Застереження: RTU ускладнюють калібрування робота
Після фізичного налаштування RTU та роботи потребують калібрування. Заковика в тому, що промислові роботи в парі з RTU часто повторюють, але не точні рухи, тому видають рух, який відрізняється від наближених симуляцій. Поодинці промислові роботи мають середню односпрямовану повторюваність від 0,1 мм до 0,01 мм. Типові осі поєднують редуктор із нульовим люфтом і двигун, а контролер відстежує їх усі за допомогою кодерів високої роздільної здатності. Подальше підвищення точності вихідного руху стає дорогим, оскільки вузли та компоненти, такі як зубчаста передача, втрачають рух (переважно через механічну податливість). Тому в деяких випадках елементи керування часто повинні компенсувати похибку позиціонування за шкалою міліметрів.

Традиційне калібрування робота використовує дороге лазерне вирівнювання. Іноді це може зменшити помилку виводу в двадцять разів. В іншому випадку виробники роботів пропонують заводське калібрування. Спеціалізовані компанії з калібрування роботів також пропонують послуги, які можуть врахувати вплив додаткового RTU на загальну точність роботи. В іншому випадку датчики з подвійною камерою дозволяють проводити зондування та динамічні вимірювання за допомогою оптики та спеціального освітлення. Іншим варіантом є механічні режими калібрування, хоча їх важче застосувати до роботів на довгих трасах.