Delta-Roboter stillen das Bedürfnis nach Geschwindigkeit

Durch die Installation mehrerer Delta-Roboter hintereinander können selbst die anspruchsvollsten Anforderungen an die Produktionsgeschwindigkeit mit minimalen Investitionen in die Stellfläche erfüllt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Kuka Robotics Corp.

Spinnen gehören zu den schnellsten und effizientesten Monteuren der Natur. Fragen Sie einfach jeden, der schon einmal auf ein lästiges Netz gestoßen ist, das einen Filter, einen Schlauch, eine Entlüftungsleitung oder eine andere kritische Arterie blockiert.

Mit ihren spindelförmigen Armen und ihren extrem schnellen Bewegungen ähneln Delta-Roboter Spinnen. Jeder Arm wird von einem Motor angetrieben, der in einer stationären Basis über einem großen zylindrischen Arbeitsraum montiert ist. Die Armgelenke arbeiten zusammen, um eine Drehachse anzutreiben, die mit einem Endeffektor verbunden ist.

Mit ihren spindelförmigen Armen und ihren extrem schnellen Bewegungen ähneln Delta-Roboter Spinnen. Foto mit freundlicher Genehmigung von ABB Robotics

Die in der Mitte gelenkigen Arme biegen sich nach innen und sind mit einer kleinen Werkzeugplatte verbunden, an der der Endeffektor befestigt ist. Durch die koordinierte Bewegung der Unterarme nach oben oder unten werden die Ellbogen nach innen oder außen gedrückt, wodurch die Platte in der X-, Y- und Z-Achse bewegt wird. Während sich der Roboter auf und ab sowie von einer Seite zur anderen bewegt, bleibt die Werkzeugplatte parallel zur Arbeitsfläche.

Mechanisch sind Deltaroboter ganz anders aufgebaut als andere Arten von Roboterkonfigurationen. Typischerweise werden die meisten Roboterarme als seriell verbunden betrachtet, was bedeutet, dass jedes Achsengelenk mechanisch in Reihe geschaltet ist.

Deltas gelten als Parallellenkerroboter, bei denen die Hauptachsen mechanisch parallel verbunden sind. Dieses Design bietet große Bewegungsvorteile mit explosiver Geschwindigkeit, Beschleunigung und hoher Einschaltdauer.

Bei Delta-Robotern sind alle Motoren ortsfest an der Mechanik angebracht. Im Gegensatz zu anderen Robotertypen trägt der Mechanismus nicht das Gewicht der Motoren. Und die Roboter arbeiten in einem hindernisfreien Arbeitsbereich.

In Kombination mit Komponenten aus leichten Materialien wie Aluminium und Kohlefaserverbundwerkstoffen ergibt sich ein System mit sehr geringer Trägheit. Diese Art der mechanischen Konstruktion ermöglicht es Deltarobotern, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten.

Die Maschinen wurden ursprünglich für Anwendungen mit geringer Nutzlast, wie zum Beispiel Verpackungen, konzipiert. Deshalb sind sie in der Lebensmittelindustrie beliebt, wo sie zum Sortieren und Verpacken von feiner Schokolade bis hin zu gefrorenen Fischstäbchen verwendet werden. Auch Kosmetik- und Pharmaunternehmen haben viele Delta-Roboter in ihren Produktionslinien eingesetzt.

Neben dem Verpacken entdecken Hersteller, dass Delta-Roboter ideal für einige Montageanwendungen sind, wie z. B. Klebstoffauftrag, Zusammenstellung, Etikettierung, Teileeinfügung, Pick-and-Place, Polieren, Schrauben und Löten. Die Maschinen werden zur Massenproduktion von Batterien, Leistungsschaltern, Elektronik, medizinischen Geräten, Stiften, Halbleitern, Solarmodulen und anderen Produkten eingesetzt.

Delta-Roboter bieten Monteuren mehrere Vorteile. Sie sind schneller als die meisten Roboter mit serieller Verbindung und haben eine geringe Stellfläche. Darüber hinaus gibt es keine toten Zonen oder Singularitäten, um die Bewegungseffizienz von einer Station zur anderen mit einer geraden Bewegung zu maximieren.

Einfache Montagevorgänge wie Kommissionieren, Platzieren, Stapeln und Zusammenstellen können mit einem Delta-Roboter durchgeführt werden. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit eignen sich Deltaroboter am besten für Montagevorgänge, bei denen Förderbänder zur Bereitstellung von Teilen eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden sie typischerweise über einem Förderband oder einer Teilezuführvorrichtung montiert.

Das einzigartige Design von Delta-Robotern ermöglicht große Bewegungsvorteile mit explosiver Geschwindigkeit, Beschleunigung und hoher Einschaltdauer. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fanuc America Corp.

Delta-Roboter werden bei Hochgeschwindigkeitsmontageaufgaben eingesetzt, um Komponenten präzise und schnell in einem größeren Arbeitsbereich als die meisten SCARA-Roboter zu platzieren. Die Tatsache, dass die Roboter über Kopf montiert sind, und die Größe der Arbeitsräume ermöglichen eine große Flexibilität bei der Gestaltung der Arbeitszellen und der Zuführung von Bauteilen.

Bei der Montage kleiner Teile sind hohe Geschwindigkeit und Platzbeschränkungen entscheidende Faktoren. Delta-Roboter sind in der Elektronik-, Halbleiter- und Solarpanelindustrie beliebt, um Durchsatzanforderungen zu erfüllen. Durch die Installation mehrerer Delta-Roboter hintereinander können selbst die anspruchsvollsten Anforderungen an die Produktionsgeschwindigkeit mit minimalen Investitionen in die Stellfläche erfüllt werden.

„Delta-Roboter werden typischerweise in Hochgeschwindigkeits-Kommissionierungs- und Verpackungsanwendungen in der Konsumgüter-, Medizin- und Lebensmittelindustrie eingesetzt“, sagt Jessica Juhasz, Managerin für Anwendungstechnik im Segment „Allgemeine Industrie“ bei Fanuc America Corp. „Es gibt einen großen Fokus und Wachstum für die Automatisierung in der Lebensmittelindustrie, insbesondere in der Primärnahrungsmittelherstellung und sogar in Einzelhandelsrestaurants.“

Die Delta-Roboterreihe von Fanuc reicht vom kleinen M-1iA bis hin zu größeren Maschinen wie dem M-2iA und dem M-3iA. Sie verfügen über Nutzlastkapazitäten von 0,5 bis 12 Kilogramm.

Laut Juhasz handelt es sich bei der M-1iA-Familie intelligenter „Genkotsu“-Roboter um leichte, kompakte Parallelverbindungsroboter für die Handhabung kleiner Teile sowie für Hochgeschwindigkeits-Kommissionierungs-, Verpackungs- und Kitting-Anwendungen. Der Roboter ist leicht zu erlernen und leicht in Montagelinien zu integrieren.

Die Familie umfasst das sechsachsige Modell M-1iA/0,5A; die vierachsigen Modelle M-1i A/0.5S und M-1iA/0.5SL; und das dreiachsige Modell M-1iA/1H. Die einzigartige Parallelverbindungsstruktur sorgt im Vergleich zu herkömmlichen Handhabungsrobotern für höhere Geschwindigkeiten und Genauigkeit. Die Roboter arbeiten mit den neuesten integrierten intelligenten Funktionen von Fanuc, wie z. B. iRVision, Krafterkennung und Robot Link.

„Während Delta-Roboter in einigen Montageanwendungen eingesetzt werden, sind die jüngsten Fortschritte in der Delta-Technologie hauptsächlich auf die Lebensmittel- und Getränke-, Logistik-, Pharma- und Konsumgüterindustrie ausgerichtet“, fügt John Bubnikovich, Präsident der US-Robotiksparte von ABB, hinzu.

„Zu den jüngsten Delta-Innovationen, die Roboter-OEMs diesen Branchen bereitgestellt haben, gehören höhere Geschwindigkeit, Reichweite und Nutzlast sowie KI-Unterstützung durch Bildverarbeitungssysteme, die Endbenutzern die Möglichkeit gibt, eine größere Produktvielfalt in einem besseren Umfeld zu erkennen und zu handhaben.“ agil und flexibel“, erklärt Bubnikovich.

Die bedeutendste Einführung des ABB-Deltaroboters ist der IRB 390 FlexPacker. Sie ist als Vier- und Fünf-Achs-Maschinenvariante erhältlich. Der Roboter ist 35 Prozent schneller als der IRB 360-8/1130 FlexPicker (die langjährige Delta-Roboterserie von ABB), mit einem um 45 Prozent höheren erreichbaren Volumen und einer Nutzlast von bis zu 15 Kilogramm.

„Der IRB 390 wurde für Kunden in der Lebensmittel- und Getränke-, Logistik-, Pharma- und Konsumgüterindustrie entwickelt und eignet sich ideal für Sekundärverpackungen und Anwendungen mit höherer Nutzlast“, behauptet Bubnikovich. „Es verfügt über NSF H1-Schmiermittel in Lebensmittelqualität und ist aus FDA-konformem Material gefertigt, das für den Einsatz in hygienischen Umgebungen geeignet ist.“

Delta-Roboter sind schneller als die meisten Roboter mit serieller Verbindung und haben eine geringe Stellfläche. Foto mit freundlicher Genehmigung von ABB Robotics

Wenn es um Geschwindigkeit geht, sind Delta-Roboter kaum zu schlagen, sie sind mehr als 30 Prozent schneller als SCARA-Roboter. Die Maschinen können Teile mit mehr als 180 Teilen pro Minute oder drei Teilen pro Sekunde von einem Eingangsförderer auf einen Ausgangsförderer aufnehmen, platzieren und ausrichten.

Delta-Roboter sind auf Geschwindigkeit ausgelegt. Sie verwenden eine Hochgeschwindigkeitsmotorbaugruppe, die leichte Kohlefaserarme mit einem hohen Maß an Wiederholgenauigkeit antreibt. Was sie jedoch an Geschwindigkeit gewinnen, verlieren sie durch die Fähigkeit, Objekte tief in andere Objekte zu platzieren. Auch die Nutzlastkapazität ist begrenzt.

End-of-Arm-Werkzeuge spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzielung hoher Geschwindigkeiten. Delta-Roboter erfordern aufgrund ihrer geringen Nutzlastkapazität und schnellen Taktraten sehr leichte Werkzeuge mit schneller Betätigung. Einfache Vakuumwerkzeuge mit Saugnäpfen sind die beliebteste Art von Endeffektoren.

Für einige Anwendungen kommen auch mechanische Greifer zum Einsatz, diese erhöhen jedoch die Masse und Trägheit des Systems, was den Roboter verlangsamt.

Trotz aller Geschwindigkeits- und Durchsatzvorteile gibt es einige potenzielle Nachteile von Delta-Robotern. Beispielsweise sind die bewegliche Fläche und die Nutzlastkapazität einige Dinge, auf die Ingenieure achten sollten.

Delta-Roboter müssen an einem Überkopfrahmen montiert werden. Um den Arbeitsbereich zu erweitern, müssen Ingenieure einen höheren Rahmen für die Installation des Roboters vorbereiten. Außerdem kann es aufgrund der Strukturbeschränkungen schwierig sein, die Nutzlastkapazität zu erweitern.

„Delta-Roboter sind speziell darauf ausgelegt, die Geschwindigkeit bei geringerer Nutzlastkapazität zu optimieren“, sagt Joe Campbell, ein Veteran der Robotikbranche, der kürzlich als Senior Manager für strategisches Marketing und Anwendungsentwicklung bei Universal Robots in den Ruhestand ging. Ein Nachteil ist, dass die Montagekonstruktionen teuer sind.

„Da sie sich so schnell bewegen, braucht man eine starre, stabile Halterung“, warnt Campbell. „Man kann es nicht einfach auf einen Tisch oder eine Workstation legen.“

Laut Campbell hat man mit einem Delta-Roboter auch nicht die gleiche Genauigkeit wie mit einem SCARA oder einem Sechs-Achsen-Roboter. Normalerweise eignen sie sich besser für Anwendungen, die einen hohen Durchsatz, aber keine hohe Genauigkeit erfordern.“

Mit einem Delta-Roboter können Sie jedoch immer noch eine Pick-and-Place-Genauigkeit im Submillimeterbereich erreichen. Es hängt davon ab, was Sie erreichen möchten. Wenn Sie auf eine Genauigkeit im Submikrometerbereich Wert legen und auf etwas Geschwindigkeit verzichten können, wäre ein kartesischer oder ein SCARA-Roboter wahrscheinlich besser. Um die Leistungsvorteile eines Delta-Roboters nutzen zu können, sollte eine Anwendung mehr als 60 Pick-and-Place-Zyklen pro Minute erfordern.

Wie bei jedem anderen Roboter gibt es immer einen Kompromiss zwischen Nutzlast und Geschwindigkeit. Die meisten Delta-Roboter sind für Traglasten im Bereich von 1 bis 3 Kilogramm ausgelegt. Dies begrenzt die Arten von Handhabungsanwendungen, in denen die Roboter eingesetzt werden können, und die Werkzeugkonstruktionen, die der Roboter tragen kann.

Obwohl Delta-Roboter immer beliebter werden, werden die Maschinen von einigen Ingenieuren missverstanden.

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass Deltaroboter der am besten geeignete Arm für alle Pick-and-Place-Anwendungen seien. Allerdings sind Delta-Roboter im Allgemeinen teurer als herkömmliche Arme mit serieller Verbindung und auf Anwendungen mit geringer Nutzlast beschränkt.

In einigen Fällen, in denen der Durchsatz nicht die extrem hohe Geschwindigkeit eines Delta-Roboters erfordert, kann die Installation von zwei kleinen seriellen Verbindungsarmen eine kostengünstigere Lösung sein.“

Die Integration von Vision-Systemen in eine Verpackungs- oder Montagelinie ist von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, dass der Delta-Roboter, die Systemsteuerung, die Konfigurationssoftware und das Vision-System nahtlos miteinander funktionieren.

Typischerweise werden bei einem Delta-Roboter Teile auf Förderbändern ein- und ausbewegt. Wenn sich viele Teile mit hoher Geschwindigkeit bewegen, ist die Umgebung komplexer als bei den meisten Sechs-Achsen-Roboteranwendungen, bei denen die Teile normalerweise stationär sind. Delta-Roboter erfordern in der Regel auch ein ausgefeilteres Steuerungsschema.

Trotz dieser Einschränkungen entwickeln Roboterhersteller weiterhin neue Arten von Deltarobotern für Anwendungen, bei denen Liniengeschwindigkeit und Anpassungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Ein kürzlich vorgestelltes Produkt ist der IRB 365 FlexPicker von ABB. Die fünfachsige Maschine verfügt über eine Nutzlastkapazität von 1,5 Kilogramm und ist damit sowohl flexibel als auch für die Umorientierung verpackter Leichtprodukte konzipiert. Es wurde als Reaktion auf den zunehmenden E-Commerce und die wachsende Nachfrage nach regalfertig verpackten Waren entwickelt.

„Der IRB 365 kann 1-Kilogramm-Produkte mit 120 Picks pro Minute aufnehmen, neu ausrichten und platzieren“, sagt Roy Fraser, globaler Produktmanager bei ABB Robotics. „Unsere Kunden erkannten, dass das Wachstum des Online-Shoppings die Nachfrage nach regalfertig verpackten Waren steigerte. Deshalb haben wir einen neuen Delta-Roboter entwickelt, der dieser Herausforderung gewachsen ist.

„Durch die Handhabung von mehr Produkten pro Minute erhöht der IRB 365-Roboter die Produktivität und spart gleichzeitig Zeit und Energie, um die Produktion effizienter zu gestalten“, behauptet Fraser. „Die [Maschine] ist für viele Aufgaben geeignet, wie z. B. Produktneuausrichtung, Top-Loading und Sekundärverpackung, Flaschenhandhabung, Entmischung und 3D-Kommissionierung. Angetrieben wird es von der Omnicore C30-Steuerung, der kleinsten Delta-Robotersteuerung auf dem Markt.“

Dieser kraftgesteuerte Deltaroboter ist für Anwendungen konzipiert, die eine präzise Bewegungs- und Kraftsteuerung erfordern, wie zum Beispiel Schrauben und Polieren. Foto mit freundlicher Genehmigung von Flexiv

Anfang des Jahres stellte Flexiv einen kraftgesteuerten Delta-Roboter namens Moonlight vor. Es ist für Anwendungen konzipiert, die eine präzise Bewegungs- und Kraftsteuerung erfordern, wie zum Beispiel Schrauben, Polieren und hochpräzises Laden.

Dank der Kraftkontrolltechnologie kann der adaptive Parallelroboter die Kraft bis auf 0,1 Newton genau messen, sodass auch empfindliche Objekte gehandhabt werden können. Dadurch sind Arbeiten wie das Polieren und Schleifen von unebenen Oberflächen möglich, die Qualität der Ergebnisse ist gewährleistet und Werkstückschäden sind praktisch ausgeschlossen.

Moonlight ist wiederholbar und präzise und kann in jedem Winkel installiert werden. Mithilfe von Software für künstliche Intelligenz kann der Roboter Anwendungen bewältigen, die Flexibilität, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit erfordern.

„Moonlight ist eine Kombination aus unserer preisgekrönten Rizon-Roboterserie und dem branchenerprobten Parallel-Bot-Design“, sagt Hao Jiang, Leiter der Produktentwicklung bei Flexiv. „Wir haben gesehen, dass Kunden in einigen spezifischen Anwendungen einen leistungsstarken, kostengünstigen Roboter benötigten, der hochpräzise Kraftsteuerung mit Anpassungsfähigkeit kombiniert, also haben wir ihn gebaut.

„Mit seiner höheren Geschwindigkeit und größeren Präzision steigert Moonlight die Produktionseffizienz und behält gleichzeitig seine Mehrzweckkapazität bei“, fügt Jiang hinzu.

Der KR3 D1200 von Kuka Robotics Corp. ist für Lebensmittel-, Medizin- und Elektronikanwendungen konzipiert. Es besteht aus Kohlefaserteilen, wodurch der Delta-Roboter viel leichter und schneller ist als Maschinen aus Edelstahl. Bei 1-Kilogramm-Ladungen beträgt die Zykluszeit weniger als 0,32 Sekunden.

Der Roboter hat eine Reichweite von 1.200 Millimetern und einen vertikalen Arbeitsbereich von 350 Millimetern. Es verfügt über eine Positionswiederholgenauigkeit von ±0,1 Millimetern und eine Winkelwiederholgenauigkeit von ±0,2 Grad. Eine geringe Stellfläche mit einem Durchmesser von 350 Millimetern macht die Deckenmontage platzsparend und effizient.