Was ist ein kartesischer Roboter? 9 Antworten, die Sie kennen sollten

Was ist ein kartesischer Roboter? | Kartesisches Robotersystem

Kartesische Roboterdefinition

Ein kartesischer Roboter oder ein kartesischer Koordinatenroboter (auch als linearer Roboter bekannt) ist ein Industrieroboter mit drei primären Steuerachsen, die alle linear sind (was bedeutet, dass sie sich entlang einer geraden Linie bewegen, anstatt sich zu drehen) und senkrecht zueinander stehen. Mit den 3 Gleitgelenken können Sie Ihr Handgelenk nach oben, unten und außen sowie hin und her bewegen. Im 3D-Raum ist es unglaublich zuverlässig und präzise. Es ist auch nützlich für horizontale Bewegungen und Stapelbehälter als Roboterkoordinatensystem.

Kartesisches Roboterdesign | Kartesischer Koordinatenroboter

Kartesische Roboterkonfigurationen

Um den Konstruktionsmechanismus eines kartesischen Roboters zu verstehen, ist eines der ersten Dinge, die verstanden werden müssen, das Konzept der gemeinsamen Topologie. Ein sich bewegendes Ziel ist durch eine durchgehende Kette von Gliedern und Gelenken an eine Basis aus seriellen Manipulatoren gebunden. Das sich bewegende Ziel ist durch mehrere Ketten (Glieder) mit dem Boden paralleler Manipulatoren verbunden. Die Mehrheit der kartesischen Koordinaten Roboter verwenden eine Mischung aus seriell und parallel verwandte Verknüpfungen. Alle Roboter mit kartesischen Koordinaten sind dagegen vollständig parallel geschaltet.

Als nächstes kommt der Freiheitsgrad ins Spiel. Kartesische Koordinatenroboter manipulieren üblicherweise Strukturen mit nur linearen Translations-T-Freiheitsgraden, da sie mit linear arbeitenden prismatischen P-Gelenken betrieben werden. Andererseits haben nur wenige kartesische Koordinatenroboter auch rotatorische R-Freiheitsgrade.

Die Anordnung der Achsen ist eines der ersten Dinge, die beim Bau eines kartesischen Roboters festgelegt werden müssen, um nicht nur die erforderlichen Bewegungen auszuführen, sondern auch um sicherzustellen, dass das Gerät eine ausreichende Steifigkeit aufweist, was die Tragfähigkeit, die Fahrpräzision und die Positionierungsgenauigkeit beeinträchtigen kann .

Einige Anwendungen, die eine kartesische Koordinatenbewegung benötigen, werden von einem Portalroboter besser unterstützt als von einer kartesischen Methode, hauptsächlich wenn die Y-Achse einen Langhub beinhaltet oder wenn das kartesische Verfahren erhebliche Momente an den Achsen platziert. Eine Portalvorrichtung mit Dual-X- oder Dual-Y-Achsen kann erforderlich sein, um in diesen Situationen unnötige Durchbiegungen oder Vibrationen zu vermeiden.

Für jede Achse eines kartesischen Koordinatenroboters wird üblicherweise eine lineare Ebene verwendet, die aus einem linearen Aktuator besteht, der geometrisch parallel zu linearen Lagern ist, und der lineare Aktuator wird normalerweise zwischen zwei linearen Lagern montiert, die für die Belastung durch das Gegenmoment voneinander getrennt sind. Eine XY-Tabelle besteht aus zwei übereinander gestapelten senkrechten linearen Stufen.

Kartesische Industrieroboter | Kartesischen Roboter auswählen und platzieren | Gantry kartesischen Roboter

Aufsammeln und plazieren Anwendungen wie die Verwendung im Labor profitieren von einer freitragenden Konstruktion, da die Komponenten leicht zugänglich sind. Portalroboter sind kartesische Koordinatenroboter mit horizontalen Elementen, die an beiden Enden abgestützt sind. Physisch ähneln sie Portalkrane, bei denen es sich nicht unbedingt um Roboter handelt. Portalroboter sind oft gigantisch und können schwere Lasten tragen.

Unterschied zwischen Portal- und kartesischen Robotern

Ein kartesischer Roboter hat einen Linearantrieb auf jeder Achse, während ein Portalroboter zwei Basisachsen (X) und eine zweite Achse (Y) hat, die sie überspannt. Dieses Design stoppt die 2^nd Die Achse kann nicht freitragend sein (dazu später mehr) und sorgt für noch längere Hublängen in Portalen und eine höhere Nutzlast im Vergleich zum kartesischen Roboter.

Die gängigsten kartesischen Roboter verwenden das dual geführte Design, da es einen besseren Schutz für fliegende (Momenten-)Lasten bietet; Achsen mit dualen Linearführungen haben jedoch eine größere Stellfläche als Achsen mit einer einzigen, im Vergleich dazu sind Dual-Führungssysteme im Allgemeinen kurz (in vertikaler Richtung) und können die Interaktion mit anderen Bereichen der Maschine beseitigen. Das Argument ist, dass die Art der gewählten Achsen nicht nur die Effizienz des kartesischen Systems, sondern auch die Gesamtfläche beeinflusst.

Kartesische Roboteraktuatoren

Wenn ein kartesischer Mechanismus die beste Wahl ist, ist der folgende Konstruktionsfaktor normalerweise die Steuereinheit des Stellantriebs, bei der es sich um eine Schraube, eine Schraube oder ein pneumatisch angetriebenes System handeln kann. Linearantriebe sind in der Regel je nach Antriebssystem mit einer einfachen oder doppelten Linearführung erhältlich.

Kabelsteuerung und -verwaltung

Die Kabelsteuerung ist ein weiteres wesentliches Merkmal dieses Roboterdesigns, das in den frühen Phasen oft ignoriert (oder nur auf spätere Phasen des Plans verschoben wird). Für Steuerung, Luft (für pneumatische Achsen), Encodereingang (für kartesische Servoantriebe), Sensoren und andere elektrische Geräte umfasst jede Achse mehrere Kabel.

Wenn Systeme und Komponenten über das industrielle Internet der Dinge (IIoT) verbunden werden, werden die Methoden und Werkzeuge, mit denen sie verbunden werden, viel kritischer, und beide Rohre, Drähte und Steckverbinder müssen ordnungsgemäß verlegt und gewartet werden, um vorzeitige Ermüdung durch übermäßige Belastung zu vermeiden Biegen oder Unterbrechung durch Interferenz mit anderen Gerätekomponenten.

Die Art und Menge der erforderlichen Kabel sowie die Komplexität des Kabelmanagements werden durch die Art der Steuerung und das Netzwerkprotokoll bestimmt. Beachten Sie, dass der Kabelträger, die Kabelrinnen oder die Gehäuse des Kabelmanagementsystems die Abmessungen des Gesamtsystems beeinflussen. Stellen Sie daher sicher, dass keine Konflikte mit dem Verkabelungssystem und den übrigen Roboterkomponenten bestehen.

Kartesische Robotersteuerung

Kartesische Roboter sind die bevorzugte Methode für Punkt-zu-Punkt-Bewegungen, können aber auch komplexe interpolierte und konturierte Bewegungen ausführen. Die Art der erforderlichen Bewegung gibt das beste Steuergerät, Netzwerkprotokoll, HMI und andere Bewegungskomponenten für das System an.

Obwohl sich diese Komponenten unabhängig von den Achsen des Roboters befinden, wirken sie sich größtenteils auf die Motoren, Drähte und andere benötigte elektrische Komponenten auf der Achse aus. Diese Elemente auf der Achse würden die ersten beiden Konstruktionsüberlegungen, die Positionierung und die Kabelsteuerung, beeinflussen.

Infolgedessen schließt sich der Kreis des Entwurfsprozesses und es wird betont, wie wichtig es ist, einen kartesischen Roboter als miteinander verbundenes elektromechanisches Gerät und nicht als Satz mechanischer Teile zu konstruieren, die an elektrischer Hardware und Software angebracht sind.

Kartesischer Roboterarbeitsumschlag

Verschiedene Roboterkonfigurationen erzeugen unterschiedliche Formen der Arbeitshülle. Dieser Arbeitsbereich ist für die Auswahl eines Roboters für eine bestimmte Anwendung von entscheidender Bedeutung, da er den Arbeitsbereich des Manipulators und des Endeffektors angibt. Für eine Vielzahl von Zwecken sollte beim Studium des Arbeitsbereichs eines Roboters Vorsicht geboten sein:

1. Die Arbeitshülle ist die Menge an Arbeit, die von einem Punkt am Ende des Roboterarms angefahren werden kann, der typischerweise die Mitte der Befestigungsanordnungen der Endeffektoren ist. Es hat keine Instrumente oder Werkstücke, die dem Endeffektor gehören.
2. Es gibt manchmal Stellen innerhalb des Betriebsbereichs, an denen der Roboterarm nicht eintreten kann. Totzonen sind die Namen, die bestimmten Regionen gegeben werden.
3. Die angegebene maximale Nutzlastfähigkeit ist nur bei solchen Armlängen erreichbar, die die maximale Reichweite erreichen können oder nicht.

Die Betriebshülle der kartesischen Konfiguration ist ein rechteckiges Prisma. Innerhalb des Arbeitsbereichs gibt es keine Totzonen, und der Roboter kann die gesamte Nutzlast über das gesamte Arbeitsvolumen hinweg manipulieren.

Beispiele für kartesische Roboter

Ein Rechner Plotter

3-Achsen-Kartesischer Roboter zur Abgabe von Fruchtfliegenfutter

Kartesische Roboterkinematik

Der kartesische Roboter ist im Wesentlichen ein Drei-Prismen-Gelenk oder ein PPP-Roboter. Es folgt der allgemeinen Regel zur Bestimmung der Vorwärts- und Rückwärtskinematik eines Robotermanipulators mit serieller Verbindung, die gefunden werden kann hier.

Wofür wird ein kartesischer Roboter verwendet? | Kartesische Roboteranwendungen

Computer Numerical Control Machines (CNC-Maschinen) und 3D-Druck sind zwei typische Anwendungen für kartesische Koordinatenroboter. Fräsmaschinen und Plotter verwenden die einfachste Anwendung, bei der sich ein Werkzeug wie ein Fräser oder ein Stift um eine XY-Ebene bewegt und auf eine Oberfläche angehoben und abgesenkt wird, um ein bestimmtes Muster zu erzeugen.

Kartesische Koordinatenrobotik kann auch in Pick-and-Place-Maschinen eingesetzt werden. Zum Be- und Entladen von Bauteilen, die in CNC-Drehlinien verwendet werden, werden beispielsweise Überkopfportale verwendet, die in dreiachsigen (X, Y, Z) Pick-and-Place-Operationen schwerer Lasten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision arbeiten.

Vorteile des kartesischen Roboters

1. Sie können aufgrund ihrer kompakten Bauweise und geradlinigen Fahrt schwere Nutzlasten bewegen.
2. Eine einzelne Steuerung kann viele Roboter steuern, sodass keine SPS-Lösungen oder E / A zwischen mehreren Steuerungen erforderlich sind.
3. Sie können schwere Lasten über große Entfernungen tragen, da sie lange Hübe von etwa 2 Metern haben.
4. Ihre Handlungen und Rollen sind genau und wiederholbar.
5. Die Zykluszeiten werden aufgrund ihrer schnellen Bewegungsgeschwindigkeit und Beschleunigung verkürzt.
6. Die Möglichkeit, 2 Einheiten auf der Z-Achse einzustellen und den Montageraum zu minimieren.
7. Es kann mit praktisch jedem Linearantrieb und mehreren Antriebsmechanismen (zusammen mit Riemen, Gewindespindel, Antrieb oder Linearmotor) gebaut werden.
8. Diese mechanische Struktur vereinfachte unter anderem die Roboterlenkerlösung und ist bei Arbeiten im 3D-Raum äußerst zuverlässig und präzise.

Nachteile des kartesischen Roboters

1. Auf der anderen Seite haben kartesische Roboter Nachteile, wie zum Beispiel, dass sie viel Platz zum Laufen benötigen und nicht unter Wasser arbeiten können.
2. Wenn diese Roboter in einer gefährlichen Umgebung betrieben werden, benötigen sie auch einen besonderen Schutz. Ein weiterer Nachteil dieses Robotertyps ist, dass er normalerweise langsamer ist als die anderen.
3. Wenn die Luft verschmutzt ist, ist es oft schwierig, Schmutz von den Gleitkomponenten fernzuhalten.
4. Die Verwendung eines Laufkrans oder eines anderen Materialtransportgeräts für den Zugang zum Arbeitsbereich kann verboten sein, und die Reparatur kann kompliziert sein.

Unterschiede zwischen kartesischen, sechsachsigen und SCARA-Robotern

Ladung des kartesischen Roboters

Die Tragfähigkeit eines Roboters (wie vom Hersteller angegeben) muss größer sein als das Gesamtgewicht der Nutzlast am Ende des Roboterarms mit Werkzeugteilen. SCARA- und Sechsachsenroboter sind eingeschränkt, da sie Lasten auf erweiterte Komponenten tragen.

Zum Beispiel ein Bearbeitungszentrum, das Lagerbaugruppen mit einem Gewicht von 100 kg oder mehr herstellt. Abgesehen von den größten SCARA- oder Sechs-Achs-Robotern übersteigt die Nutzlast deren Fähigkeiten. Ein traditioneller kartesischer Roboter hingegen kann diese Lasten leicht aufnehmen und positionieren, da sein Stützrahmen und seine Lager den gesamten Bewegungsbereich unterstützen.

Orientierung des kartesischen Roboters

Die Richtung des Roboters wird dadurch bestimmt, wie er positioniert ist und wie er die zu schiebenden Teile oder Gegenstände platziert. Wenn der boden- oder linienmontierte Sockel eines SCARA- oder Sechsachsenroboters ein Hindernis verursacht, sind solche Roboter möglicherweise nicht die richtige Wahl. Kartesische Roboter mit kleinem Rahmen können über Kopf und außerhalb des Weges platziert werden, wenn die Anwendung nur eine Drehung in wenigen Achsen umfasst.

Für die Handhabung oder Funktion komplexer Komponenten mit vier oder mehr Bewegungsachsen kann die Struktur eines kartesischen Roboters jedoch zu hinderlich sein, und ein kompakter SCARA-Roboter mit einer Größe von nur 200 mm2 und vier Schrauben auf einem Sockel passt möglicherweise besser .

Geschwindigkeit des kartesischen Roboters

Kataloge von Roboterherstellern enthalten neben Tragzahlen auch Geschwindigkeitsangaben. Beschleunigungszeiten über lange Distanzen sind bei der Kommissionierung von Robotern für Pick-and-Place-Anwendungen entscheidend. Kartesische Roboter können Geschwindigkeiten von fünf m/s oder mehr erreichen und konkurrieren mit SCARA- und Sechs-Achs-Robotern.

Arbeitszyklus des kartesischen Roboters

Dies ist die Zeit, die benötigt wird, um eine einzelne Betriebsschleife abzuschließen. Roboter, die ständig 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche laufen (wie beim Hochdurchsatz-Scannen und bei der Herstellung von Pharmazeutika), haben das Ende ihrer Nutzungsdauer schneller erreicht als Roboter, die fünf Tage die Woche acht Stunden laufen. Um mögliche Verschlimmerungen zu vermeiden, beheben Sie diese Probleme im Voraus und kaufen Sie Roboter mit langen Schmierzeiten und geringem Wartungsaufwand.

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Esha Chakraborty

Ich habe einen Hintergrund in der Luft- und Raumfahrttechnik und arbeite derzeit an der Anwendung von Robotik in der Verteidigungs- und Weltraumwissenschaftsindustrie. Ich lerne kontinuierlich und meine Leidenschaft für kreative Künste motiviert mich dazu, neuartige technische Konzepte zu entwerfen.
Da Roboter in Zukunft fast alle menschlichen Handlungen ersetzen werden, möchte ich meinen Lesern die grundlegenden Aspekte des Themas auf einfache, aber informative Weise vermitteln. Außerdem möchte ich mich gleichzeitig über die Fortschritte in der Luft- und Raumfahrtindustrie auf dem Laufenden halten.