Kartesische Roboter: einfach und kostengünstig

Das Smart Function Kit for Handling-Kit ist so konzipiert, dass es einfach zu spezifizieren, in Betrieb zu nehmen und zu programmieren ist und es Ingenieuren ermöglicht, schnell kundenspezifische kartesische Handhabungssysteme mit einer, zwei oder drei Bewegungsachsen zu erstellen und zu installieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von Bosch Rexroth Corp.

Von den verschiedenen Robotern, die für die automatisierte Montage eingesetzt werden, ist der kartesische Roboter der am wenigsten komplexe. Ein kartesischer Roboter, auch als geradliniger, rechteckiger oder Portalroboter bekannt, kann seinen Endeffektor nur in geraden Linien entlang der X-, Y- und Z-Achse bewegen. Einige Kartesianer verfügen über eine zusätzliche Bewegungsachse, bei der sich der Endeffektor um die Z-Achse oder parallel dazu dreht.

Kartesier sind vielleicht nicht so „sexy“ wie ein Hochgeschwindigkeits-SCARA oder ein Sechs-Achsen-Roboter, aber das ist auch ihr Hauptvorteil. „In vielen Anwendungen wäre ein SCARA oder ein Sechs-Achsen-Roboter übertrieben“, sagt Brad Klippstein, Produktmanager für Smart Mechatronix bei Bosch Rexroth. „Für einen einfachen Pick-and-Place-Vorgang sind keine fünf oder sechs Bewegungsachsen erforderlich. Und die Programmierung eines Sechs-Achsen-Roboters ist schwierig.

„Im Gegensatz dazu kann man einen kartesischen Roboter in 5 Minuten programmieren und es ist einfach, Änderungen am System vorzunehmen.“

Bei einem kartesischen Roboter ist jede Achse ein separater Linearantrieb, der über eine Kugelumlaufspindel oder einen Riemen angetrieben werden kann. Kartesische Roboter können in Ausleger- und Portalbauweise gebaut werden. Welche zu wählen ist, hängt von den Anforderungen an Länge, Geschwindigkeit, Nutzlast und Genauigkeit ab.

Die freitragende Bauweise schränkt die Reichweite und Nutzlast des Roboters aufgrund des Drehmoments auf die Stützlager der Basisachse ein. Je größer die Nutzlast am Ende des Arms ist, desto größer ist das Drehmoment, das auf die Basisachse ausgeübt wird.

Das Portaldesign überwindet diese Einschränkung. Portalroboter bewegen die einzelnen Aktoren entlang zueinander orthogonaler Achsen. Zwei parallele Linearlager stützen die untere Achse und beseitigen so das Problem eines übermäßigen Drehmoments auf der Basisachse. Die Nutzlast- und Reichweitengrenzen des können problemlos erweitert werden, ohne dass überdimensionierte Linearantriebe eingesetzt werden müssen. Der Nachteil des Portaldesigns besteht darin, dass der offene Arbeitsbereich des Roboters jetzt weniger zugänglich ist.

Da ein kartesischer Roboter die Lasten gleichmäßig auf einem starren Rahmen verteilt, kann er große Nutzlasten bei hohen Geschwindigkeiten präzise und wiederholbar positionieren. Kartesier können schreiend in eine Position kommen und sofort anhalten.

Aufgrund ihres modularen Aufbaus lassen sich kartesische Roboter leicht skalieren, um unterschiedliche Fahr- und Nutzlastanforderungen zu erfüllen. Einzelne Achsen können schnell repariert oder ausgetauscht werden, und das gesamte System kann für den Einsatz in anderen Bewegungssteuerungsanwendungen zerlegt werden.

Die maximale Reichweite eines SCARA-Roboters beträgt typischerweise 1.000 Millimeter. Kartesische Antriebe sind mit Verfahrlängen von 3.000 Millimetern oder mehr erhältlich.

Kartesische Roboter wägen Geschwindigkeit und Auflösung ab. Je feiner die Auflösung, desto langsamer ist die resultierende Geschwindigkeit. Die Wiederholbarkeit variiert je nach Design. Linearaktuatoren mit Kugelumlaufspindelantrieb weisen in der Regel eine bessere Wiederholgenauigkeit auf als Aktuatoren mit Riemenantrieb. Bei Robotern mit Kugelumlaufspindelantrieb sind Bodenschrauben mit spielfreien Kugelmuttern im Allgemeinen genauer und wiederholgenauer als gerollte Kugelumlaufspindeln mit Standard-Kugelmuttern.

Die Vorteile von Modularität und Anpassung gehen nicht ohne Kompromisse einher. Kartesische Roboter sind schwieriger zu bewegen als andere Roboter, und einige Ingenieure möchten möglicherweise nicht die verschiedenen Achsen zusammenbauen, ausrichten und koordinieren. Die Verwaltung der Steuerkabel für jede Achse kann schwierig sein, obwohl neue Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien dieses Problem minimieren. Schließlich sollten sich Ingenieure davor hüten, aus den Spezifikationen einer Komponente Rückschlüsse auf die Nutzlast, Genauigkeit oder Wiederholbarkeit des Roboters zu ziehen.

In der Vergangenheit war die Wahl zwischen kartesischen und SCARA-Robotern eine Frage von Kompromissen. Kartesische Systeme waren genauer und kostengünstiger als SCARAs. SCARAs waren schneller und nahmen weniger Platz ein als kartesische. Dank des technologischen Fortschritts sind die beiden Technologien heute sowohl im Preis als auch in der Leistung vergleichbar. Infolgedessen sind die Unterschiede zwischen den beiden viel subtiler.

Kartesische Roboter können in Ausleger- und Portalbauweise gebaut werden. Welche zu wählen ist, hängt von den Anforderungen an Länge, Geschwindigkeit, Nutzlast und Genauigkeit ab. Foto mit freundlicher Genehmigung von Yamaha Robotics

Ein zu berücksichtigender Punkt ist der Arbeitsbereich des Roboters, insbesondere dort, wo der Arbeitsraum teuer ist, beispielsweise in Reinräumen. Der Arbeitsbereich eines SCARA-Roboters ist rotierend, während der eines kartesischen Roboters rechteckig ist. Wenn Sie einen rotierenden Arbeitsraum in einen quadratischen Arbeitsbereich stellen, können Sie nicht den gesamten verfügbaren Platz nutzen.

Wenn alles in eine geradlinige Hülle passt, ist ein kartesischer Wert gut. Wenn der Roboter Teile in der Drei-Uhr-Position aufnehmen und in die 12-Uhr-Position bringen muss, ist ein SCARA möglicherweise die bessere Option.

Im Vergleich zu anderen Robotertypen ist der Arbeitsbereich kartesischer Roboter klar definiert und kann leicht visualisiert werden. Dies ist hilfreich, wenn eine Sicherheitsabsicherung erforderlich ist. Darüber hinaus ist der Arbeitsbereich des kartesischen Roboters offen, so dass Teile problemlos von drei Seiten, auch von der „Vorderseite“, im Arbeitsbereich platziert werden können, wo das Risiko, dass der Bediener getroffen wird, minimiert wird.

Kartesische Roboter können mit einer Vielzahl von Endeffektoren ausgestattet werden, darunter Schraubendreher, Oberfräsen, Dosierventile, Lötköpfe und Greifer. Aufgrund ihres linearen Designs können kartesische Roboter von Natur aus schwerere Nutzlasten tragen als SCARA- oder Sechs-Achsen-Roboter vergleichbarer Größe.

Bei der Spezifizierung eines Kartesianers sollten Ingenieure das Gewicht der Nutzlast – des Endeffektors und aller Teile, die er tragen wird – sowie die Entfernung und Geschwindigkeit der Nutzlast angeben. Dadurch werden Länge und Breite des Rahmens sowie die Größe der Motoren bestimmt. Und wie bei jedem Bewegungssteuerungssystem sind die Anforderungen an Genauigkeit und Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung.

Der Arbeitszyklus ist eine weitere wichtige Variable. „Wird der Roboter zweimal pro Stunde laufen oder wird er tagelang ununterbrochen laufen?“ sagt Klippstein.

Ingenieure sollten auch festlegen, wie und wo der Roboter eingesetzt wird. Wenn die Stellantriebe an einem Ort aufgestellt werden, an dem die Wartung schwierig ist, können sie mit dauergeschmierten Lagern ausgestattet werden. Wenn der Roboter häufig aus- und wieder eingeschaltet wird, können die Aktuatoren mit Absolutwertgebern ausgestattet werden, sodass der Roboter vor der Wiederaufnahme des Betriebs nicht in seine Ausgangsposition zurückkehren muss.

Ingenieure haben eine Fülle von Optionen für kartesische Roboter. Sie können den Do-it-yourself-Weg gehen und ihr eigenes, maßgeschneidertes System aus einzelnen Linearaktuatoren bauen, oder sie können einen standardisierten kartesischen Aktuator von einem Robotik-OEM wie Intelligent Actuator, Janome Industrial Equipment, TM Robotics und Yamaha Robotics kaufen.

Einige Unternehmen wie Ellsworth, Nordson EFD und Techcon bieten kartesische Tischroboter an, die speziell für die Klebstoffdosierung entwickelt wurden. Andere, wie Fancort, Promation und Apollo Seiko, bieten kartesische Tischsysteme speziell für das Löten an.

Eines der neuesten kartesischen Systeme ist das Smart Function Kit for Handling von Bosch Rexroth Corp. Das Kit ist so konzipiert, dass es einfach zu spezifizieren, in Betrieb zu nehmen und zu programmieren ist und es Ingenieuren ermöglicht, schnell kundenspezifische kartesische Handhabungssysteme mit einer, zwei oder drei Achsen zu erstellen und zu installieren der Bewegung.

Alles beginnt mit der kostenlosen LinSelect-Software von Bosch. Die Software verwendet grafische Schnittstellen, um Ingenieure durch den Prozess der Eingabe von Systemparametern wie Geschwindigkeit, Nutzlast und Hublänge pro Achse zu führen. Die Software bietet detaillierte Informationen und Auswahlmöglichkeiten zu Leistungsmerkmalen, wie z. B. Wiederholbarkeit.

Ingenieure können dann mit wenigen Klicks und ohne Engineering-Aufwand ihr eigenes System aus standardisierten Komponenten inklusive Aktorik, Software, Antrieb und Motor zusammenstellen. Die Software gibt Empfehlungen für verschiedene Leistungsvarianten und Preiseinstellungen.

Linearantriebe sind für Bewegungen von 6 Zoll oder 6 Fuß und Nutzlasten von bis zu 100 Kilogramm erhältlich.

Sobald ein Design ausgewählt wurde, können Ingenieure die Systemdaten direkt an einen Online-Konfigurator übertragen und die Bestellung aufgeben. Außerdem wird automatisch ein CAD-Modell des Systems generiert. Das System wird dann vollständig montiert ausgeliefert – Aktuatoren, Elektronik, Verkabelung, Antriebe, Motoren und Software – und ist bereit für die Integration in eine Maschine oder Montagelinie.

„Das gesamte Konzept hinter dem Bausatz besteht darin, Entwicklungszeit zu sparen“, sagt Klippstein. „Da alle Komponenten aus einer Hand stammen, ist die Inbetriebnahme einfacher. Sie müssen dem System nicht beibringen, welchen Motor und Antrieb Sie haben. Es weiß, welche Komponenten vorhanden sind. Es kennt alle Systemparameter.“

Ebenso einfach ist die Programmierung. „Es ist Drag-and-Drop-Programmierung“, erklärt Klippstein. „Man muss kein Experte für SPS-Programmierung sein. Man könnte einem Sechsjährigen beibringen, einen dreiachsigen Roboter zu programmieren.“

Die browserbasierte Oberfläche ist modern und intuitiv. Ingenieure können das System über ein Tablet oder einen PC programmieren. Es ist kein separates HMI erforderlich.

Auch die Konnektivität wurde angesprochen. Das System ist mit verschiedenen Feldbussystemen kompatibel und Ingenieure können Leistungsdaten zur Analyse in die Cloud exportieren.

„Man kann mit den Daten ziemlich detailliert umgehen, aber vor allem möchte man ein paar Dinge wissen: Läuft die Maschine? Hat es aufgehört? Wenn ja warum? Ist es immer noch korrekt? Wie viele Teile hat es bewegt?“ sagt Klippstein.

Igus hat sein Angebot an dreiachsigen Portalrobotern von Drylin um ein extragroßes System zum Palettieren, Sortieren, Etikettieren und Prüfen erweitert. Der Arbeitsraum des neuen Drylin XXL-Roboters reicht von 2.000 mal 2.000 mal 1.500 Millimeter bis hin zu 6.000 mal 6.000 mal 1.500 Millimeter. Der Roboter kann eine maximale Nutzlast von 10 Kilogramm tragen.

Die Preise für den neuen Roboter beginnen bereits bei 7.000 US-Dollar, einschließlich des Steuerungssystems. Das Do-it-yourself-System lässt sich ohne die Hilfe eines Systemintegrators einfach einrichten und programmieren.

Der neue Drylin XXL-Portalroboter verfügt über einen Arbeitsbereich von 2.000 mal 2.000 mal 1.500 Millimeter bis 6.000 mal 6.000 mal 1.500 Millimeter. Foto mit freundlicher Genehmigung von igus

„In Zusammenarbeit mit externen Dienstleistern entstandene Palettierroboter kosten zwischen 95.000 und 135.000 US-Dollar. „Das sprengt das Budget vieler kleiner Unternehmen“, sagt Alexander Mühlens, Leiter des Geschäftsbereichs Low-Cost-Automation bei igus. „Wir haben daher ein Produkt entwickelt, das durch den Einsatz von Hochleistungskunststoffen und Leichtbaumaterialien wie Aluminium um ein Vielfaches kostengünstiger ist.“ Beispielsweise kostet der Drylin XXL-Roboter je nach Ausbaustufe zwischen 7.000 und 10.000 US-Dollar. Es handelt sich um eine risikoarme Investition, die sich in der Regel innerhalb weniger Wochen amortisiert.“

Der Bausatz besteht aus zwei Zahnriemenachsen und einer Zahnstangenauslegerachse mit Schrittmotoren. Im Paket sind außerdem die Steuerung, Kabel und die Igus Robot Control (iRC)-Software enthalten. Ingenieure können die Komponenten in nur wenigen Stunden zu einem einsatzbereiten System zusammenbauen. Sollten zusätzliche Komponenten wie Kamerasysteme oder Greifer benötigt werden, können Ingenieure diese auf dem Robotik-Marktplatz des Unternehmens, RBTX, finden.

Der neue Roboter ist ideal für Palettieranwendungen. Es kann beispielsweise über einem Förderband positioniert werden, das Teile von Spritzgussmaschinen wegtransportiert. Der Roboter kann Teile vom Förderband aufnehmen, sie mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 Millimetern pro Sekunde transportieren und mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,8 Millimetern auf einer Palette positionieren.

Das System erfordert keine Wartung. Die Linearachsen bestehen aus korrosionsbeständigem Aluminium und die Schlitten bewegen sich über Gleitlager aus dem Hochleistungskunststoff Iglide. Die selbstschmierenden Eigenschaften der Lager ermöglichen einen reibungsarmen Trockenlauf ohne externe Schmierstoffe.

Die iRC-Software ermöglicht eine einfache und intuitive Roboterprogrammierung und -steuerung. „Für viele Unternehmen, die keine eigenen IT-Spezialisten haben, ist die Programmierung von Robotern oft mit Problemen behaftet“, bemerkt Mühlens. „Deshalb haben wir iRC entwickelt, eine kostenlose Softwareanwendung, die optisch an gängige Bürosoftware erinnert und eine intuitive Programmierung von Bewegungen ermöglicht. Das Besondere daran ist, dass die Software kostenlos ist und die resultierende Low-Code-Programmierung dann 1:1 am realen Roboter genutzt werden kann.“

Herzstück der Software ist ein 3D-Digitaler Zwilling des Portalroboters, mit dem sich Bewegungen mit wenigen Klicks definieren lassen.

„Interessenten können vor dem Kauf anhand des 3D-Modells prüfen, ob gewünschte Bewegungen tatsächlich realisierbar sind“, sagt Mühlens. „Dadurch ist die Investition praktisch risikofrei.“

Der kartesische Roboter BAIII von TM Robotics ist ein Plug-and-Play-System: Alle Kabel, Anschlusskästen, Halterungen, Motoren und Steuerungen werden mit den Linearantrieben geliefert. Dies bedeutet, dass keine Kalibrierung zwischen Motor und Aktuator oder zwischen Motor und Steuerung erforderlich ist, was Zeit und Geld spart und es Ingenieuren ermöglicht, die Maschine sofort nach der Installation zu verwenden.

Der Roboter kann mit einer, zwei, drei oder vier Bewegungsachsen konfiguriert werden. Die Länge der Linearachsen reicht von 50 bis 4.450 Millimeter.

Der kartesische Roboter BAIII ist ein Plug-and-Play-System: Alle Kabel, Anschlusskästen, Halterungen, Motoren und Steuerungen werden mit den Linearantrieben geliefert. Foto mit freundlicher Genehmigung von TM Robotics

AC-Servomotoren und Absolutwertgeber sind in allen Modellen verfügbar, was die Genauigkeit gewährleistet und die Durchführung einer Home-Positionierungsroutine überflüssig macht. Ein zweiachsiges Modell kann eine maximale Nutzlast von 100 Kilogramm tragen und sich mit einer maximalen Geschwindigkeit von 2.000 Millimetern pro Sekunde bewegen.

Die Roboter können direkt aus der Verpackung zusammengebaut für den Einsatz versandt werden. Darüber hinaus verfügen die Aktuatoren über ölfreie Lager für minimalen Wartungsaufwand.

„Mit dieser neuen kartesischen Serie können wir sehen, dass unseren Kunden mehr Möglichkeiten zur Verfügung stehen und sie weniger Zeit für die Entwicklung im Vorfeld aufwenden müssen“, sagt Nigel Smith, CEO von TM Robotics.

Die Portalroboter der GV-Serie von Nordson EFD für die automatische Dosierung sind mit der DispenseMotion-Software und einer integrierten CCD-Smart-Vision-Kamera oder einer einfachen Stiftkamera ausgestattet, um die Einrichtung und Programmierung zu vereinfachen.

Die CCD-Kamera wandelt Pixel in digitale Werte um, um präzise, ​​qualitativ hochwertige Bilder zu liefern. Die proprietäre Dosiersoftware bestätigt die Anwesenheit und Platzierung des Werkstücks und passt sich automatisch an, wenn im Prozess Abweichungen auftreten.

Die Portalroboter der GV-Serie für die automatische Dosierung sind mit der DispenseMotion-Software und einem integrierten Bildverarbeitungssystem ausgestattet, um die Einrichtung und Programmierung zu vereinfachen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Nordson EFD

„Mit Arbeitsbereichen von 400 bis 800 Millimetern und unbegrenzten Werkstücknutzlasten ist die GV-Serie ideal für die präzise Flüssigkeitsdosierung auf Substraten, die große Arbeitsbereiche erfordern, ohne Einbußen bei der Wiederholbarkeit“, sagt Johnathan Titone, Produktlinienspezialist für automatisierte Dosiersysteme bei Nordson EFD . „Es ist für den Einsatz als eigenständiges System oder als automatisierte Lösung konzipiert und lässt sich problemlos in Drehtische oder Förderbandautomatisierung integrieren.“

Zu den weiteren Vorteilen des Systems gehört die hochpräzise Positionierung und Wiederholgenauigkeit der Einlageplatzierung von ±0,02 Millimetern beim 400-Millimeter-Roboter und ±0,01 Millimetern beim 800-Millimeter-Roboter.

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