Warum Kartesische (Portalf) Roboter Gelenkarmroboter übertreffen: 4 entscheidende Vorteile

Futura Automation, LLC (www.futura-automation.com) bietet eine Reihe von robotischen, automatisierungs- und bewegungskontrollierten Lösungen an. Der dieswöchige Newsletter von Futura Automation erläutert die Vorteile kartesischer Roboter, insbesondere der von Macron Dynamics, Inc. gelieferten, im Vergleich zu den anderen wichtigen industriellen Roboter-Topologien: Gelenkarm (Articulated), Delta und SCARA. Dieser Artikel erklärt die vier primären Vorteile kartesischer Roboter:

• Flexibilität im Design
• Deutlich größere Reichweite (Verfahrweg)
• Höhere Traglast
• Kosteneinsparungen

Die meisten Menschen kennen den Sechs-Achs-Gelenkarmroboter, der häufig in Medien auf Automobilschweißlinien oder für Kistenverpackung und Palettierung gezeigt wird. Delta-Roboter sind beliebt für Hochvolumen-Pick-and-Place zwischen zwei Förderbändern, primär in der Lebensmittelverpackung. SCARA- oder 4-Achs-Arme sind ein weiterer gängiger Formfaktor für Industrieroboter. SCARA eignet sich am besten für kleine Teile-Pick-and-Place in Elektronik, Medizintechnikverpackung und kleinen Konsumgütern. Standard-Roboter-Topologien wie Gelenkarm und SCARA haben klar definierte Arbeitsbereiche, die von ihren Herstellern und der Mechanik des Arms vorgegeben werden. Was, wenn eine ungewöhnliche Bewegung erforderlich ist oder eine, die sehr hoch oder sehr lang ist? Dafür bieten wir kartesische Roboter an. Kartesische Roboter, manchmal auch Portalf-Roboter (Gantry Robots) genannt, sind eine sehr gängige und einfache robotische Topologie. Portalkrane gibt es seit Jahrhunderten vor automatisierten kartesischen Robotern. Der Formfaktor ist jedoch recht ähnlich. Der Unterschied liegt in der Automatisierung, die von Portalf-Robotern eingesetzt wird, damit Bewegungen vorprogrammiert und in einigen Fällen durch maschinelles Sehen unterstützt werden können.

Was ist ein kartesischer Roboter?

3D-Drucker nutzen die kartesische oder lineare Roboter-Topologie, sei es ein Desktop-Modell oder eines, das groß genug ist, um ein Haus aus Beton zu drucken. Ein weiteres gängiges Beispiel ist eine Pick-and-Place-Maschine in der elektronischen Leiterplattenfertigung, oft „Chip Shooter“ genannt. Kleinere kartesische Roboter werden oft über einem Tisch oder Fördersystem aufgebaut. Sie verfügen typischerweise über 3 Bewegungsachsen. Sie können auf/ab, vorwärts/rückwärts und links/rechts bewegen. Kartesische Roboter haben wie alle Roboter einen Endeffektor, der die zugewiesene Aufgabe ausführt. Kartesische Roboter, die die präzisesten Aufgaben ausführen – normalerweise in der Halbleiter- und Optikindustrie – erreichen Wiederholgenauigkeiten von weniger als einem Mikrometer über eine Reichweite oder Spannweite von weniger als 30 Zentimetern.

Endeffektoren für kartesische Roboter können umfassen:

• Vakuumgreifer
• Mechanischer Greifer
• Druckkopf
• Fräskopf
• Wasserstrahl
• Schneidlaser
• Misch- oder Rührwerkzeuge
• Maschinelles Sehen

Welche Branchen nutzen kartesische Roboter?

Da sie ein breites Anwendungsspektrum haben, finden sich kartesische Roboter in vielen Branchen. Hersteller in den folgenden Branchen nutzen diese Technologie häufig:

• Luft- und Raumfahrt – Bearbeitung und Finishing
• Landwirtschaft – Vertical Farming
• Verpackung – Kistenverpackung & Palettierung
• Maschinenbedienung (CNC oder Kunststoffe)
• Elektronik, Optik und Halbleiter
• Medizintechnik-Montage und Pharma-Dosierung
• Multimedia, Bühnentechnik und Werbung
• Lebensmittel- und Getränkehandling

Dies sind nur einige der vielen Beispiele. Kartesische Technologie gibt es schon lange. Deshalb gibt es viele bewährte Anwendungen für diese Roboter. Sie sind auch einfach zu verstehen und für Bediener neu zu programmieren. Das macht sie benutzerfreundlich für Automatisierungsneulinge. Diese Hersteller haben oft die Arten von Anwendungen, in denen kartesische Roboter glänzen können.

Typische Anwendungen kartesischer Roboter

Kartesische Roboter sind die richtige Lösung in vielen Anwendungen und für andere wäre ein linearer Roboter eine schlechte Wahl. Die wesentliche Einschränkung eines kartesischen Roboters ist der begrenzte Bewegungsbereich, insbesondere die Hüftachse oder Gelenk 1 (J1) und die Handgelenksaktion oder J5 und das Drehgelenk J6 bei Gelenkarmrobotern. Sechs-Achs-Roboter können sich in alle möglichen Positionen biegen und drehen. Wenn Material in einem Winkel gehandhabt oder rotiert werden muss – sei es beim Aufnehmen oder Platzieren, Schweißen, Lackieren oder Dosieren –, dann sind Gelenkarmroboter sinnvoller. Kartesische Roboter sind in ihrer Bewegung viel starrer, ohne Drehbewegung, außer mit einem möglichen Drehaktuator am Endeffektor. Dies mag wie eine Einschränkung erscheinen, und es kann eine sein. Aber es ist auch ein Vorteil in Anwendungen, die planar ausgelegt sind, wie Platzieren, Sortieren oder Stapeln von Produkten auf einer Plattform oder einem Förderer. Diese planare Qualität linearer Roboter birgt Vorteile, die es ihnen ermöglichen, bestimmte Anwendungen besser als andere Roboterarten auszuführen. Hier sind einige Beispiele:

• CNC-Maschinenbedienung
• 3D-Druck
• Metall-Plasma-/Laserschneiden
• Schraubendrehen
• Dosieren
• Holzhandling und Fräsen
• PCB-Montage und -Test
• Pick-and-Place oder Sortieren
• Logistik – AS/RS für Lagerhaltung
• Vertical Farming
• Inspektion

Es gibt einige Gründe, warum kartesische Roboter in diesen Anwendungen glänzen können. Erstens werden diese Anwendungen häufig in einer Ebene oder Dimension ausgeführt. Beispielsweise ist ein Laser-Kartesierroboter damit beauftragt, eine Form aus einem Metallblech auszuschneiden. Das Metallblech liegt flach auf der Schneidoberfläche. Der Roboter führt seine befohlenen Bewegungen aus, um die Form aus dem Stück auszuschneiden. Diese Bewegung erfordert nicht, dass der Roboter sich in spezielle Winkel verdreht oder zur Seite des Stücks rotiert. Es sind alles Auf/Ab, Vorwärts/Rückwärts und Links/Rechts-Bewegungen. Einige kartesische Roboter verfügen über eine zusätzliche Drehachse am Endeffektor. Wenn signifikante Flexibilität und Bewegungsbereich erforderlich sind, könnte ein anderer RoboterTyp besser geeignet sein.

Flexibilität im Design

Kartesische Roboter sind die am besten skalierbare Roboterplattform. Diese Skalierbarkeit gilt sowohl für ihre potenzielle physische Größe als auch für ihre ultimative Stärke. Kartesische Roboter können so klein wie eine Handfläche und so groß wie ein Lagerhaus sein. Sehr kleine Kartesier werden oft „Mehrachsen-Positioniertische“ genannt und für Mikrongenauigkeit in Photolithografie, Dosierung, Platzierung oder Laserschneiden in der Elektronik eingesetzt. Es gibt heute auch große kartesische Roboter, die 50 Meter (164 Fuß) lang oder mehr sind. Eine gängige „große kartesische“ Anwendung sind Robot Transfer Units (RTUs) oder einzelne „7. Achsen“, wie sie allgemein bekannt sind. Gelenkarmroboter können auch auf einem XY- oder XZ-Kartesier montiert werden, um große Flächen abzudecken, wie sie für das Schleifen von Schweißnähten oder das Finishing eines Schiffs verwendet werden könnten. Metallverstärkte Bandantriebe ermöglichen es Macron Dynamics, diese Systeme unglaublich lang und für Nutzlasten bis zu 2200 lbs (1000 kg) geeignet zu machen. Diese Mechaniken zusammen mit großen Übersetzungsgetrieben und Motoren, die nicht in ein schlankes Robotergehäuse passen müssen, bedeuten, dass kartesische Roboter die größten und schwersten Aufgaben mühelos bewältigen können.

Skalierbarkeit der Reichweite (Länge)

Die Kunden von Futura Automation profitieren von der Flexibilität und Skalierbarkeit maßgeschneiderter kartesischer Roboter. Es ist möglich, einen Kartesier zu bauen, der so lang ist wie der strukturelle Spannweite eines Gebäudes. Futuras Partner, Macron Dynamics, liefert glasfaserverstärkte Pultrusionsbalken für die horizontale Spannweite. Es ist auch möglich, den Linearanteil mit Stahl-I-Trägern für längere Spannweiten und schwerere Lasten zu verstärken. Eine 200 ft (60 m) horizontale X- oder Y-Achse ist möglich, ebenso eine 60 ft (20 m) hohe Z-Achse. Ein Kartesier kann auch einen Theta-Achsenantrieb für Drehung am Ende der Z- oder Vertikalachse oder eine Handgelenksaktion integrieren.

Breites Traglastspektrum

Portale mit stahlverstärkten Bändern und bei Verstärkung durch glasfaserverstärkte Pultrusionsbalken oder Stahl-I-Träger können Lasten von mehreren tausend Pfund bewältigen, die den stärksten (und sehr teuren) Gelenkarmrobotern rivalisieren. Es ist möglich, eine integrierte mechanische Bremse an einem Servogetriebemotor anzubringen, um eine Last in einer Vertikalachse zu halten, selbst bei entzogener Stromversorgung. Macron Dynamics bietet auch sein CLAWS-System als Sicherheitsvorrichtung zum Schutz vor unkontrollierten Vertikallasten an.

Kosten eines kartesischen Roboters

Wir haben gelernt, dass kartesische Roboter hochskalierbar sind. Das bedeutet, ihre Kosten sind ebenfalls hochskalierbar. 2023 lag der Preis für ein komplettes kartesisches Robotersystem, einschließlich Servoantriebe und Steuerungen, zwischen 20.000 $ für ein kleines System bis zu 200.000 $ oder mehr für ein sehr großes System. Aber bei sonst gleichen Bedingungen – Reichweite und Traglast – wird der Einsatz eines kartesischen Roboters für ein Projekt günstiger sein als die Verwendung eines anderen vergleichbaren industriellen Roboterformfaktors, wie eines Sechs-Achs-Roboters, für dasselbe Projekt, dieselbe Reichweite und Traglast. Der Hauptgrund dafür ist die Verwendung standardisierter Profile und Standard-Servos anstelle von gegossenen mechanischen Armen mit kundenspezifischen Servos, Zykloidgetrieben und kundenspezifischen Lagern, wie sie für Gelenkarmroboter erforderlich sind. Die primären Kostenfaktoren für kartesische Roboterprojekte sind:

• Größe und Geschwindigkeit des Projekts (Aktuatorlängen und Traglastkapazitäten) und ob eine verstärkende Überstruktur erforderlich ist
• Komplexität der Anwendung (welche Arten von spezialisierten Greifern oder zusätzlichen Theta-Achsen erforderlich sind)
• Art der Steuerung, Kommunikation und Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) für den Betrieb
• Erforderliches Präzisionsniveau, was sogar eine nullspielige Spindelantriebs-Hybridlösung in einer oder mehreren Achsen erfordern könnte
• Ob Sicherheitszäune oder -sensoren zum Schutz erforderlich sind

Zusammenfassung: Wann gewinnen kartesische Roboter über Gelenkarm-, Delta- oder SCARA-Roboter?

Nun kennen Sie kartesische Roboter und ihre Anwendungen etwas besser. Wann sind sie also das Richtige für Sie und Ihr Projekt? Wir können Ihnen helfen, diese Fragen zu beantworten. Kurz gesagt, hier sind die Hauptüberlegungen:

• Suchen Sie Kostensenkungen oder Durchsatzsteigerungen?
• Ist die Traglast oder Reichweite eine große Herausforderung für einen Gelenkarm- oder SCARA-Arm?
• Welche Präzision/Genauigkeit wird für die Anwendung benötigt?
• Wie ist das Geschwindigkeitsprofil im Verhältnis zur Last, d. h. welche Trägheits- und Antriebsmomentrequirements bestehen?

Da bei der Konstruktion eines kartesischen Roboters ein „weißes Blatt“ vorliegt, ist es wichtig, die Trägheit bei der Auswahl von Motor und Getriebe korrekt abzustimmen. Futura Automation unterstützt bei der Trägheitsabstimmung, wenn wir unsere Designberatung für Kundenprojekte bereitstellen. Hier ist ein Dokument des Branchenverbands „A3“, das die Bedeutung der Impedanzanpassung ausführlich beschreibt. Ein Videoleitfaden zur Trägheitsabstimmung wird ebenfalls 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