Warum kartesische (Gantry-)Roboter Gelenkarme übertreffen:4 Hauptvorteile

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) bietet eine Reihe von Roboter-, Automatisierungs- und bewegungsgesteuerten Lösungen. Der Newsletter dieser Woche von Futura Automation erläutert die Vorteile kartesischer Roboter, insbesondere der von Macron Dynamics, Inc., im Vergleich zu den anderen großen Industrierobotertopologien:#Articulated, Delta und SCARA. In diesem Artikel werden die vier Hauptvorteile von Kartesianern erläutert:

• Flexibilität im Design
• Erheblich größere Reichweite (Reisen)
• Größere Nutzlast
• Kosteneinsparungen

Die meisten Menschen kennen den sechsachsigen (Gelenk-)Roboterarm, der häufig in den Medien an Schweißlinien in der Automobilindustrie oder zum Packen und Palettieren von Kartons gezeigt wird. #Delta-Roboter werden vor allem bei der Aufnahme und Platzierung großer Mengen zwischen zwei Förderbändern in der Lebensmittelverpackung eingesetzt. #SCARA oder 4-Achsen-Arme sind ein weiterer gängiger Formfaktor für Industrieroboter. SCARA eignet sich am besten für die Kommissionierung und Platzierung von Kleinteilen in Elektronik, medizinischen Verpackungen und kleinen Konsumgütern. Standardrobotertopologien wie Articulated und SCARA verfügen über klar definierte Arbeitsbereiche, die von ihren Herstellern und der Mechanik des Arms vorgegeben werden. Was ist, wenn eine ungewöhnliche Bewegung oder eine sehr große oder sehr lange Bewegung erforderlich ist? Dafür können wir kartesische Roboter anbieten. Kartesische Roboter, manchmal auch Portalroboter genannt, sind eine sehr verbreitete und einfache Robotertopologie. Portalkräne waren natürlich um Jahrhunderte älter als automatisierte kartesische Roboter. Aber der Formfaktor ist ziemlich ähnlich. Der Unterschied besteht in der von Portalrobotern verwendeten Automatisierung, sodass Bewegungen vorprogrammiert und in einigen Fällen durch maschinelles Sehen unterstützt werden können.

Was ist ein kartesischer Roboter?

3D-Drucker nutzen die kartesische oder lineare Robotertopologie, sei es ein Desktop-Modell oder ein Modell, das groß genug ist, um ein Haus aus Beton zu drucken. Ein weiteres häufiges Beispiel ist eine Bestückungsmaschine, die bei der Herstellung elektronischer Leiterplatten verwendet wird und oft als „Chip-Shooter“ bezeichnet wird. Kartesische Roboter mit kleinerem Formfaktor werden häufig auf einem Tisch oder einem Fördersystem aufgebaut. Sie verfügen typischerweise über drei Bewegungsachsen. Sie können sich nach oben/unten, vorwärts/rückwärts und links/rechts bewegen. Kartesier verfügen wie alle Roboter über einen Endeffektor, der die zugewiesene Aufgabe ausführt. Kartesische Systeme, die die präzisesten Aufgaben erfüllen, normalerweise in der Halbleiter- und optischen Industrie, haben eine Wiederholgenauigkeit von weniger als einem Mikrometer über eine Reichweite oder Spannweite von weniger als 30 Zentimetern.

Zu den Endeffektoren für kartesische Roboter können gehören:

• Vakuumgreifer
• Mechanische Greifer
• Druckkopf
• Fräskopf
• Wasserstrahl
• Schneidlaser
• Misch- oder Rührwerkzeuge
• Machine Vision

Welche Branchen nutzen kartesische Roboter?

Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind kartesische Roboter in vielen Branchen anzutreffen. Hersteller in den folgenden Branchen nutzen diese Technologie häufig:

• Luft- und Raumfahrt – Bearbeitung und Endbearbeitung
• Landwirtschaft – Vertikale Landwirtschaft
• Verpackung – Kartonverpackung und Palettierung
• Maschinenbedienung (CNC oder Kunststoff)
• Elektronik, Optik und Halbleiter
• Montage medizinischer Geräte und Arzneimittelabgabe
• Multimedia, Bühnentechnik und Werbung
• Umgang mit Lebensmitteln und Getränken

Dies sind nur einige der vielen Beispiele. Kartesische Technologie gibt es schon seit langer Zeit. Aus diesem Grund gibt es viele bewährte Anwendungen für diese Roboter. Außerdem sind sie für den Bediener einfach zu verstehen und neu zu programmieren. Dies macht sie benutzerfreundlich für Einsteiger in die Automatisierung. Diese Hersteller verfügen häufig über Anwendungen, bei denen kartesische Roboter hervorragende Leistungen erbringen können.

Typische Anwendungen kartesischer Roboter

Kartesische Roboter sind in vielen Anwendungen die richtige Lösung, für andere wäre ein linearer Roboter eine schlechte Wahl. Die wichtigste Einschränkung für einen kartesischen Roboter ist der begrenzte Bewegungsbereich, insbesondere die Taillenachse oder Gelenk 1 (J1) und die Handgelenksbewegung oder J5 und die Drehbewegung J6 bei Gelenkrobotern. Sechsachsroboter können sich in alle möglichen Positionen biegen und drehen. Wenn Material gehandhabt oder in einem Winkel gedreht werden muss, sei es beim Aufnehmen oder Platzieren, Schweißen, Lackieren oder Dosieren, dann sind Gelenkarme sinnvoller. Kartesische Roboter sind in ihrer Bewegung viel starrer und haben keine Drehbewegung, außer mit einem möglichen Drehantrieb am Endeffektor. Dies mag wie eine Einschränkung erscheinen, und das kann auch so sein. Aber auch bei planar konzipierten Anwendungen wie dem Platzieren, Sortieren oder Stapeln von Produkten auf einer Plattform oder einem Förderband ist dies von Vorteil. Diese planare Qualität von Linearrobotern bringt Vorteile mit sich, die es ihnen ermöglichen, bei bestimmten Anwendungen eine bessere Leistung als andere Robotertypen zu erbringen. Hier ein paar Beispiele:

• CNC-Maschinenbetreuung
• 3D-Druck
• Metallplasma-/Laserschneiden
• Schrauben
• Dispensieren
• Holzhandhabung und -führung
• Leiterplattenbestückung und -prüfung
• Pick-and-Place oder Sortieren
• Logistik – AS/RS für die Lagerhaltung
• Vertikale Landwirtschaft
• Inspektion

Es gibt einige Gründe, warum kartesische Roboter bei diesen Anwendungen hervorragende Leistungen erbringen können. Erstens werden diese Anwendungen üblicherweise in einer Ebene oder Dimension durchgeführt. Beispielsweise hat ein kartesischer Laserroboter die Aufgabe, eine Form aus einem Metallblech auszuschneiden. Das Blech wird flach auf die Schnittfläche gelegt. Der Roboter führt seine befohlenen Bewegungen aus, um die Form aus dem Stück auszuschneiden. Für diese Bewegung ist es nicht erforderlich, dass sich der Roboter in bestimmten Winkeln dreht oder sich zur Seite des Werkstücks dreht. Es ist alles eine Bewegung nach oben/unten, vorwärts/rückwärts und links/rechts. Einige kartesische Roboter verfügen am Endeffektor über eine zusätzliche Drehachse. Wenn erhebliche Flexibilität und Bewegungsfreiheit erforderlich sind, ist möglicherweise ein anderer Robotertyp am besten geeignet.

Flexibilität im Design

Kartesische Roboter sind die skalierbarste verfügbare Roboterplattform. Diese Skalierbarkeit liegt sowohl in ihrer potenziellen physischen Größe als auch in ihrer ultimativen Stärke. Kartesische Roboter können so klein wie Ihre Handfläche und so groß wie ein Lagerhaus sein. Sehr kleine Kartesiertische werden oft als „Mehrachsentische“ bezeichnet und werden für die Mikrometer-genaue Fotolithographie, Dosierung, Platzierung oder Laserschneiden in der Elektronik verwendet. Heutzutage gibt es auch große kartesische Roboter mit einer Länge von 50 Metern oder mehr. Eine häufige „große kartesische“ Anwendung sind Robotertransfereinheiten oder einzelne „7. Achsen“, wie sie allgemein genannt werden. Knickarmroboter können auch auf einem kartesischen XY- oder Metallverstärkte Riemenaktuatoren ermöglichen es Macron Dynamics, diese Systeme unglaublich lang und für Nutzlasten von bis zu 2200 lb (1000 kg) geeignet zu machen. Diese Mechanik sowie Getriebe und Motoren mit großem Übersetzungsverhältnis, die nicht in ein schlankes Robotergehäuse passen müssen, sorgen dafür, dass kartesische Roboter die größten und schwersten Aufgaben problemlos bewältigen können.

Skalierbarkeit in der Reichweite (Länge)

Die Kunden von Futura Automation profitieren von der Flexibilität und Skalierbarkeit maßgeschneiderter kartesischer Roboter. Es ist möglich, ein kartesisches Gebäude zu bauen, das so lang ist wie die strukturelle Spannweite eines Gebäudes. Der Partner von Futura, Macron Dynamics, wird die Glasfaser-Pultrusionsträgerverstärkung für die horizontale Spannweite bereitstellen. Für größere Spannweiten und schwerere Lasten ist es auch möglich, den Linearantrieb mit I-Trägern aus Stahl zu verstärken. Eine horizontale X- oder Y-Achse mit einer Länge von 200 Fuß (60 m) ist ebenso möglich wie eine 20 m (60 Fuß) hohe Z-Achse. Ein Kartesianer kann auch einen Theta-Achsenantrieb für die Drehung am Ende der Z- oder Vertikalachse oder eine Handgelenkbewegung enthalten.

Große Auswahl an Nutzlasten

Portale, die mit stahlverstärkten Bändern und verstärkt durch Glasfaser-Pultrusionsträger oder Stahl-I-Träger ausgestattet sind, können Lasten von mehreren Tausend Pfund bewältigen und konkurrieren damit mit den stärksten (und sehr teuren) Gelenkroboterarmen. Es ist möglich, einen Servogetriebemotor mit einer integrierten mechanischen Bremse zu versehen, um eine Last auch bei ausgeschalteter Stromversorgung in einer vertikalen Achse zu halten. Macron Dynamics bietet sein CLAWS-System auch als Sicherheitsvorrichtung zum Schutz vor unkontrollierten vertikalen Belastungen an.

Kosten eines kartesischen Roboters

Wir haben gelernt, dass kartesische Roboter hoch skalierbar sind. Dadurch sind auch ihre Kosten hochgradig skalierbar. Im Jahr 2023 werden die Kosten für ein komplettes kartesisches Robotersystem, einschließlich Servoantrieben und Steuerungen, zwischen 20.000 US-Dollar für ein kleines System und 200.000 US-Dollar oder mehr für ein sehr großes System variieren. Unter sonst gleichen Bedingungen sind Reichweite und Nutzlast bei der Verwendung eines kartesischen Roboters für ein Projekt günstiger als bei der Verwendung eines anderen vergleichbaren Industrieroboter-Formfaktors, z. B. eines sechsachsigen Roboters für dasselbe Projekt, bei gleicher Reichweite und Nutzlast. Der Hauptgrund dafür ist die Verwendung standardisierter Strangpressteile und handelsüblicher Servos anstelle von gegossenen mechanischen Armen mit kundenspezifischen Servos, Zykloidengetrieben und kundenspezifischen Lagern, wie sie für Gelenkarme erforderlich sind. Die wichtigsten Kostenvariablen für kartesische Roboterprojekte sind:

• Größe und Geschwindigkeit des Projekts (Antriebslängen und Nutzlastkapazitäten) und ob eine verstärkende Aufbaukonstruktion erforderlich ist
• Komplexität der Anwendung (welche Arten von Spezialgreifern oder zusätzlichen Theta-Achsen sind erforderlich)
• Art der für den Betrieb erforderlichen Steuerung, Kommunikation und Mensch-Maschine (HMI)
• Geforderte Präzision, die möglicherweise sogar einen spielfreien Hybrid-Spindelantrieb in einer oder mehreren Achsen erfordert
• Ob Sicherheitszäune oder Sensoren zum Schutz erforderlich sind oder nicht

Zusammenfassung:Wann siegen kartesische Roboter gegenüber Gelenk-, Delta- oder SCARA-Robotern?

Jetzt wissen Sie etwas über kartesische Roboter und ihre Anwendungen. Wann sind sie also das Richtige für Sie und Ihr Projekt? Wir können Ihnen bei der Beantwortung dieser Fragen helfen. Aber kurz gesagt, hier sind die wichtigsten Überlegungen:

• Sind Sie auf der Suche nach Kostensenkungen oder Durchsatzsteigerungen?
• Ist die Nutzlast oder Reichweite eine große Herausforderung für einen Gelenk- oder SCARA-Arm?
• Welche Präzision/Genauigkeit ist für die Anwendung erforderlich?
• Wie ist das Geschwindigkeitsprofil im Verhältnis zur Last, d. h. wie hoch sind die Trägheits- und Antriebsdrehmomentanforderungen?

Da es für die Konstruktion eines kartesischen Roboters noch einen Neuanfang gibt, ist es wichtig, die Trägheit bei der Auswahl von Motor und Getriebe richtig aufeinander abzustimmen. Futura Automation hilft bei der Trägheitsanpassung, wenn wir unsere Designberatung für unsere Kundenprojekte bereitstellen. Hier ist ein Dokument des Branchenverbandes „A3“, das die Bedeutung der Impedanzanpassung ausführlich beschreibt. Außerdem wird eine Videoanleitung zum Trägheitsabgleich bereitgestellt:https://www.automate.org/industry-insights/understanding-the-mysteries-of-inertia-mismatch

Wie Futura Automation Ihr Projekt unterstützen kann

Kontaktieren Sie uns unter:sales@futura-automation.com