Tory pozycjonowania robota

Chociaż niektóre suwnice zawierają ramę umożliwiającą odwracanie robotów i podwieszanie ich w celu lepszego dostępu do maszyn od góry, najczęściej spotykane są RTU, które przykręcane są do podłogi i ustawiają robota w pozycji pionowej. Te RTU mają średnio większy ładunek, przenoszą ramiona robotów i chwytają ładunki ważące tysiące funtów. Inżynierowie mogą kupić gotowe jednostki RTU lub zbudować je we własnym zakresie, korzystając z wiedzy na temat systemów ruchu. Najprostsze to pary torów liniowych, na których znajdują się platformy, do których przykręcany jest robot. Jednak wielu producentów OEM pozyskuje dedykowanych integratorów na potrzeby sytuacji, gdy roboty na RTU będą wykonywać zadania wymagające dużej precyzji – na przykład zadanie cięcia (gdzie projekt musi zsynchronizować przeguby wielu osi) lub przenoszenie odlewów przez różne obrabiarki w celu obróbki. Największym wyzwaniem stojącym przed inżynierią jednostek przenoszących roboty jest zaprogramowanie ich tak, aby synchronizowały się z przegubem ramion robota, które niosą. Drugim co do wielkości wyzwaniem jest zapewnienie RTU dokładnego ruchu liniowego na wielu metrach.

Czasami prędkość jest nadrzędnym celem projektowym RTU. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy RTU zabierają roboty na odległość ponad kilkuset stóp lub nawet więcej w specjalistycznych konfiguracjach. Duża prędkość w kontekście poruszających się robotów – czasami ramion ważących tysiące funtów plus ich ładunek – jest względna. Jednakże niektóre jednostki RTU mogą poruszać się z prędkością większą niż 10 ft/s przy przyspieszeniu do jednego g. Jednak często dokładność jest nadrzędnym celem projektu RTU. Rozważmy zastosowanie, w którym robot pomaga na przykład współpracującej komórce roboczej w obróbce skrawaniem. W tym przypadku szybkość i rozszerzenie zakresu pracy robota są przydatne tylko wtedy, gdy otaczająca struktura zapewnia wysoką dokładność. Takie projekty często wymagają dokładności do 0,02 mm i powtarzalności pozycjonowania do około 0,2 mm podczas ruchów gąsienic. Z drugiej strony, jeśli aplikacja wykorzystuje ramię robota w zastosowaniach, które wymagają adaptacyjnego sterowania, ale są mniej zależne od absolutnej precyzji, inne konfiguracje mogą działać. Może to nawet przybrać formę pojazdu mobilnego wyposażonego w ramię robota – na przykład do rozładunku kontenerów transportowych. Bez względu na projekt, niskie koszty utrzymania i długa żywotność są kluczowe dla wszystkich konfiguracji RTU, ponieważ są one zwykle powiązane z więcej niż jedną funkcją instalacji i kilkoma innymi elementami maszyn. Dlatego przestoje RTU często powodują wyłączenie innych stacji. Zintegrowane bezpieczeństwo jest również ważne, ponieważ wiele RTU przemieszcza robotykę przez drogi sprzęt zamieszkany przez pola, takie jak obrabiarki, a nawet pracownicy, szczególnie tam, gdzie działają wokół stref, w których przebywa personel montażowy.

W bramownicach robotycznych pokonujących średnie odległości liniowe często wykorzystywane są silniki połączone z napędami pasowymi. Są to stosunkowo proste systemy, które wykorzystują koła pasowe napędzane silnikiem elektrycznym do wytwarzania naprężenia wzdłuż paska i szybkiego przyspieszania. Jednakże, gdy osiągają dłuższe skoki, mogą pojawić się problemy z zwisaniem pasów, jeśli system nie jest w stanie utrzymać napięcia na całej długości. Żeby było jasne, problemem nie jest ograniczenie ładunku. Jest to raczej ryzyko utraty ruchu na skutek podatności paska. Istnieją wyjątki od zastrzeżenia dotyczącego skalowalności. W niektórych RTU osie pasowe (napędzane ze wspólnego wału napędowego) napędzają korby harmoniczne. W tym przypadku napędy pasowe mogą zachować dokładność pozycjonowania robotów o długim skoku w odpowiednich warunkach. Najbardziej udane RTU z napędem pasowym wykorzystują oprawy i gąsienice liniowe w uzupełniających się orientacjach, aby uzyskać większą precyzję konfiguracji z napędem pasowym. Niektóre takie RTU z siłownikami szynowymi napędzanymi paskiem mogą utrzymywać powtarzalność na poziomie ± 0,001 cala, nawet podczas przemieszczania jednotonowych robotów na odległość kilkudziesięciu stóp. Tutaj (dzięki odpowiednim szynom) siłowniki napędzane paskiem sprawiają, że RTU są tańsze i bardziej elastyczne niż alternatywy.

Inną opcją dla siódmej osi jest oś napędzana śrubą kulową. Ta konfiguracja uwzględnia wibracje i sprężynowanie, które mogą pojawiać się w napędach pasowych. Zasadniczo stały element mechaniczny utrzymuje kontrolę nad precyzyjnym zatrzymywaniem i pozycjonowaniem. Śruby kulowe na ogół dobrze sprawdzają się w konfiguracjach o długości do około sześciu metrów przy pomocy przerywanych wsporników łożyskowych. W przypadku dłuższych osi głównym problemem jest to, że śruby biją się przy dużych prędkościach, zwłaszcza jeśli nie mają wystarczającego wsparcia. Dzieje się tak dlatego, że wały śrub kulowych uginają się pod własnym ciężarem. Następnie przy prędkości krytycznej (funkcja średnicy wału śruby, prostoliniowości, wyrównania i długości niepodpartej) ruch wzbudza częstotliwość drgań własnych wału. Zatem maksymalna prędkość maleje wraz ze wzrostem długości śruby pociągowej. W niektórych konfiguracjach stosuje się bloki łożyskowe, które oddzielają się i zwijają razem, a następnie pozostają i podtrzymują śrubę, zapewniając dłuższe wydłużenie bez bicza. Jednakże w przypadku bardzo długich gąsienic napędzanych śrubą kulową producenci muszą łączyć wiele śrub (zwykle za pomocą kleju zamiast spawania, aby uniknąć wypaczenia geometrii). W przeciwnym razie śruba musi mieć bardzo dużą średnicę, aby rozwiązać problem bicza. Skoki w niektórych takich konfiguracjach opartych na śrubie kulowej sięgają 10 metrów i osiągają prędkość 4,000 obr./min. Kolejne zastrzeżenie: śruby w gąsienicach robota wymagają ochrony przed brudem i gruzem. Jednakże tam, gdzie pracują, RTU wykorzystujące silniki elektryczne w połączeniu ze śrubami kulowymi wytrzymują większe obciążenia niż osie napędzane paskiem. Istnieje również zasilanie płynne dla konfiguracji o długim skoku. Takie pneumatyczne RTU są zwykle niedrogim rozwiązaniem do zastosowań, które wymagają jedynie dwustopniowego pozycjonowania w przód i w tył. Przeciętne produkty poruszają się z prędkością 2 m/s i integrują się z innymi sterownikami robotów.

RTU o długim skoku (na przykład do użytku w robotyce laboratoryjnej) mogą wykorzystywać napędy silników liniowych. Większość takich jednostek RTU zawiera również najnowocześniejszą elektronikę, enkodery absolutne i sterowanie ruchem osi śledzących, nawet po błędach lub przestojach. Bardziej typowy zasięg silnika liniowego wynosi około czterech metrów. Taki zasięg jest bardziej odpowiedni do przenoszenia płytek półprzewodnikowych typu „podnieś i umieść” niż w cięższych zastosowaniach RTU. Krótko mówiąc, silniki liniowe w RTU stanowią szczególne wyzwanie, ponieważ zapewniają dokładność mechaniczną, ale muszą przenosić duże obciążenia. Wymaga to stosowania większej liczby kosztownych magnesów trwałych, dzięki którym silniki liniowe działają tak dobrze. Są wyjątki. Oddano do użytku jeden rekord świata RTU z tandemowymi siłownikami liniowymi i zbudowano go na zamówienie na potrzeby konfiguracji automatyki wymagającej precyzyjnych ruchów do 12 m. Sztywne aluminiowe szyny nośne współpracują z dwoma sześciorzędowymi liniowymi łożyskami kulkowymi i zespołami prowadnic. Synchroniczne silniki liniowe z dwoma szczelinami, siła wyjściowa do 4200 N.

Najbardziej popularne są dostępne na rynku jednostki RTU wykorzystujące zestawy zębatkowe. Typowe długości sięgają 15 metrów. Sterowanie jednostką liniową zintegrowane jest jako matematycznie sprzężona oś w sterowniku robota, co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowego sterownika. Wiele takich RTU utrzymuje dokładność nawet przy skokach wynoszących 30 metrów, łącząc bezszczotkowy serwomotor prądu przemiennego i przekładnię planetarną ze szlifowanymi zębatkami śrubowymi. Inne konfiguracje wykorzystują wózek poruszający się po szynie o pojedynczej krawędzi na wytrzymałych rolkach w bloku. W tym przypadku szyny są zwykle prostokątne ze stojakiem wyciętym w wewnętrznej krawędzi. Można je łączyć z zakrzywionymi segmentami, jeśli jest to przydatny układ. Niektóre RTU, które przemieszczają robota po ruchomej platformie, wykorzystują szyny o płaskiej powierzchni wykonane z hartowanej stali i łączą je z zespołami popychaczy krzywkowych. Inni wykorzystują silnik elektryczny ze śrubowym reduktorem skosu i pasem do napędzania platformy. Następnie na długiej osi wahadłowej RTU wyposażony jest w elektryczny motoreduktor napędzający zębnik współpracujący z zębatką.

Istnieją narzędzia umożliwiające inżynierom planowanie ścieżek jednostek RTU i koordynowanie ich z funkcjami robota. Oprogramowanie do symulacji robotów, a nawet niektóre moduły kontrolera ruchu, pozwalają inżynierom planować ścieżki, ładować powstałe oprogramowanie do kontrolera, a następnie sterować robotem i RTU za pomocą tego jednego elementu sprzętu. Inną opcją jest oprogramowanie od wyspecjalizowanych producentów oprogramowania, którzy sprzedają zestawy rozwojowe robotów, które umożliwiają programowanie robotów większości marek dowolnej marki za pośrednictwem interfejsów API. Te i niezliczone inne narzędzia programowe sprawiają, że konfiguracja robota jest łatwiejsza niż kiedykolwiek, szczególnie dla zespołów z umiarkowanym doświadczeniem w zakresie kontroli ruchu lub CNC. Początkowe iteracje projektu zwykle odbywają się poprzez programowanie na komputerze w trybie offline. Następnie, gdy personel instaluje robota i RTU, oprogramowanie programistyczne generuje kod, który ładuje się do elementów sterujących. Oprogramowanie kieruje RTU i robotem po zaprogramowanych ścieżkach w celu sprawdzenia, czy nie występują problemy. Następnie instalator za pomocą zawieszki ustawia chwytak, obcinak lub efektor końcowy robota w określonych punktach przestrzeni, podczas gdy sterownik rejestruje ruchy. W przeciwnym razie instalatorzy mogą użyć zawieszki do całej konfiguracji, a następnie dopracować trajektorie na zapleczu – jest to coraz popularniejsze podejście.

Po fizycznej konfiguracji urządzenia RTU i roboty wymagają kalibracji. Problem polega na tym, że roboty przemysłowe w połączeniu z jednostkami RTU często wykonują powtarzalne, ale niedokładne ruchy, co skutkuje ruchem wyjściowym różniącym się od przybliżeń symulacyjnych. Same roboty przemysłowe mają średnią powtarzalność jednokierunkową wynoszącą {{0}},1 mm do 0,01 mm. Typowe osie łączą przekładnię i silnik o zerowym luzie, a sterownik śledzi je wszystkie za pomocą enkoderów o wysokiej rozdzielczości. Dalsze zwiększanie dokładności ruchu wyjściowego staje się kosztowne, ponieważ zespoły i komponenty, takie jak przekładnia, powodują utratę ruchu (głównie z powodu podatności mechanicznej). Dlatego w niektórych przypadkach elementy sterujące muszą często kompensować błąd położenia w skali milimetrowej. Tradycyjna kalibracja robotów wykorzystuje kosztowne zestrojenie laserowe. Czasami może to zmniejszyć błąd wyjściowy dwudziestokrotnie. W przeciwnym razie producenci robotów oferują kalibrację fabryczną. Dedykowane firmy zajmujące się kalibracją robotów oferują również usługi, które mogą uwzględnić wpływ dodanego RTU na ogólną wydajność precyzyjnego robota. W przeciwnym razie czujniki z podwójną kamerą umożliwiają inspekcję sondą i pomiar dynamiczny za pomocą optyki i specjalnego oświetlenia. Inną opcją są mechaniczne tryby kalibracji, choć trudniej je zastosować w przypadku robotów poruszających się po długich torach.