28.09.2006 | Autor / Redakteur: Matthias Schneider / MM
Beim Einsatz von Scara-Robotern muss auch die Peripherie in die Planungen einbezogen werden. Bereits Mitte der Siebzigerjahre stellte Professor Makino in Japan fest, dass in der Regel 80% der...
Beim Einsatz von Scara-Robotern muss auch die Peripherie in die Planungen einbezogen werden Bereits Mitte der Siebzigerjahre stellte Professor Makino in Japan fest, dass in der Regel 80% der Fügebewegungen gradlinig von oben erfolgen und dass der benötigte Arbeitsraum in etwa der Reichweite eines menschlichen Arms entspricht, wenn das Produkt montagefreundlich gestaltet ist. Die damals auf dem Markt erhältlichen Roboter waren für diese Fügebewegungen zu groß, zu ungenau und zu teuer. Der Knickarmroboter mit seinen fünf bis sechs Achsen war beispielsweise speziell für Lackier- oder Schweißaufgaben entwickelt worden. Bei geraden Bewegungen waren die Bahntreue und die Positioniergenauigkeit nicht besonders gut. Gemäß den Untersuchungen von Makino genügten vier Achsen, um ein Teil im Raum zu jeder gewünschten Position zu bewegen und zu fügen. Dabei bildete er bei der Konstruktion der Roboterkinematik den menschlichen Arm in sehr vereinfachter Form nach. Für die Positionierung in der horizontalen Ebene verwendete er zwei durch Drehgelenke verbundene Hebel, die vom Aufbau her dem Schultergelenk und dem Oberarm sowie dem Ellenbogengelenk und dem Unterarm des Menschen entsprechen. Die dritte Achse führte er als Linearachse aus, und zwar in Form einer Pinole, die an der Spitze der Ellenbogenachse befestigt war und nach unten herausfahren konnte. Sie ist die Vertikal- oder Z-Achse, an deren unterem Ende der Greifer befestigt ist, der zum Fügen der Teile dient. Die vierte Achse, die W-(Wrist-) oder Handachse, dreht die Z-Achsen-Pinole um ihre Mittelachse, um so die Orientierung des Greifers zu bewerkstelligen.Für das häufig beim Fügen von Teilen auftretende Problem des Verkantens der beiden zu fügenden Teile birgt diese Kinematik eine verblüffende Lösung. Nachdem der Roboter mit seinen Achsen die horizontale Position oberhalb des Zielpunktes angefahren hat, werden die Motoren der Schulter-, Ellenbogen- und Handachse stromlos geschaltet. Nur die Positionsencoder bleiben unter Spannung und registrieren eine mögliche Veränderung der Achspositionen. Nun beginnt die Z-Achse ihre Fügebewegung nach unten auszuführen. Deren zwangsgeführte Linearbewegung ergibt eine optimale Fügebewegung, die sich positiv auswirkt. Aus Toleranzgründen kommt es jedoch oft vor, dass es einen kleinen Versatz in der X-Y-Ebene zwischen den beiden zu fügenden Teilen gibt. Sind nun an den Teilen Fügeschrägen angebracht, gleicht sich der Versatz passiv durch den Roboter aus, weil dessen Horizontalachsen nachgeben können.Aus diesem Verhalten der Roboterachsen leitet sich auch der Name Scara-Roboter ab. Denn Scara steht für Selective Compliance Assembly Robot Arm und bedeutet soviel wie selektiv ausgleichender Montageroboter. Damit ist eben die Nachgiebigkeit der Horizontalachsen beim vertikalen Fügen zu verstehen.Ein weiterer Vorteil des Scara-Roboters gegenüber anderen Kinematiken ist neben der im Verhältnis zu seinem Arbeitsraum kleinen Standfläche auch die hohe Steifigkeit des Roboterarmes in vertikaler Richtung. Dadurch kann er je nach Modell Einpresskräfte bis 200 N aufnehmen, ohne dass er dauerhaft Schaden erleidet. Im Übrigen ist die Mechanik dieses Roboters wesentlich robuster gegenüber kleineren Kollisionen als die von Knickarmgeräten mit ihren empfindlichen Getrieben in der fünften und sechsten Achse. Weitere Merkmale sind die hohe Horizontalgeschwindigkeit und die dadurch kurzen Pick-and-Place-Zeiten sowie die große Wiederholgenauigkeit, die im Allgemeinen je nach Armlängen bei ±0,02 bis ±0,05 mm liegt.Durch den zentralen Standfuß und die Freischaltung der Achsen ergibt sich eine unkomplizierte, schnelle und gute Zugänglichkeit an die Peripherie für Wartungs- und Einrichtarbeiten. Die beiden Hauptachsen sind wartungsfrei, wenn die eingesetzten «Harmonic-Drive»-Getriebe eine Dauerfettfüllung haben. Nur die Z/W-Achse, die aus einer Kombination aus Keilschaftwelle mit eingeschliffener Kugelumlaufspindel besteht, muss von Zeit zur Zeit gefettet werden. Darüber hinaus ist nur die Spannung der Zahnriemen, welche die Bewegungen der Motoren auf die Welle übertragen, regelmäßig zu kontrollieren.Der Scara-Roboter wurde entwickelt, um Werkstücke in einer möglichst kurzen Zeit von der Bereitstellungsposition zum Montageort zu bringen und sie geradlinig vertikal von oben zu fügen. Dies bedeutet aus der Sicht der Steuerungstechnik, dass seine Achsen eine zeit- und wegoptimierte Bewegung ausführen müssen. Einen solchen Ablauf erhält man, wenn die Achsen eine Punkt-zu-Punkt-Bewegung ausführen. Dabei kann der Programmierer die Bahn zwischen Start- und Zielpunkt, auf der sich der Greifer bewegt, nicht beeinflussen. Um einen aus der Sicht der Dynamik optimalen Bewegungsablauf zu erhalten, starten und stoppen die Schulter- und Ellenbogenachse gleichzeitig. Dadurch bewegt sich der Greifer auf radienförmigen oder elliptischen Bahnen zwischen Start- und Zielpunkt.Und genau daraus ergibt sich der erste Brennpunkt, der zu beachten ist, damit der Roboter richtig eingesetzt wird. Er übersteuert quasi die gedachte Gerade zwischen Start- und Zielpunkt, je nachdem wo die Punkte im Arbeitsraum liegen. Durch Unkenntnis oder Missachtung dieser Tatsache werden oft Peripheriegeräte mit Störkanten im Schwenkbereich des Armes aufgebaut, welche die Bewegung des Roboter dann behindern. So kann es leicht zu Kollisionen kommen, und man muss Verschleifpositionen einprogrammieren, um das Hindernis zu umfahren. Dies wirkt sich natürlich äußerst negativ auf die Taktzeit aus. Daher gilt als oberste Prämisse: Bei hochgezogener Vertikalachse muss sich der Roboterarm völlig frei innerhalb seines möglichen Arbeitsbereiches bewegen können. Störkonturen von Peripheriegeräten oder der Schutzumzäunung sind zu vermeiden oder in die hinteren beiden Schenkel des Arbeitsbereiches zu legen.Zudem sollte man bei der Anordnung und Festlegung der anzufahrenden Positionen beachten, dass die vertikale Roboterachse (Z-Achse) die langsamste ist. Sie muss bei einem Pick-and-Place-Zyklus den Weg viermal zurücklegen, während der horizontale Weg nur zweimal zurückgelegt wird. Daher sollte man versuchen, den Z-Hub klein zu halten. Weiterhin ist zu empfehlen, dass dabei die Achse nicht vollständig ausgefahren wird. Denn eine weit nach unten ausgefahrene Z-Achse reagiert auf Querkräfte am Greifer empfindlicher, und die erzielbare Genauigkeit ist schlechter.Bei der Gestaltung der Roboterperipherie sollte man versuchen, die Positionen in der horizontalen Ebene so zu legen, dass Schulter- und Ellenbogenachse vom Start- zum Zielpunkt in die gleiche Richtung drehen. Dadurch ergibt sich eine Summierung der Winkelgeschwindigkeiten der einzelnen Achsen und eine kürzere Zykluszeit als bei gegenläufiger Bewegung bei gleichem Abstand. Diese Empfehlung ist jedoch in den meisten Fällen nicht realisierbar, da Peripheriegeräte konstruktive Merkmale und geometrische Gegebenheiten aufweisen, die sich nicht beeinflussen lassen.Bei den meisten Anbietern von Scara-Robotern liegen die für die Bestimmung der Referenzzykluszeiten verwendeten Positionen am äußeren Rand des Arbeitsbereiches. Will man sich jedoch bei der Planung des Robotereinsatzes über die zu erwartende Taktzeit klar werden, sollte eine Taktzeitstudie anhand eines konkreten Layouts durchgeführt werden. Auf keinen Fall sollten Zeiten aufgrund von Winkelgeschwindigkeiten und Drehwegen berechnet werden. Selbst Simulationsprogramme weisen in der Regel einen Fehler von 10 bis 15 % auf.Bei der Gestaltung des Greifersystems und dessen Anbringung an der Z-Achse des Roboters sind zwei wichtige Aspekte zu beachten. Meistens betrachtet der Konstrukteur nur das Greifer- und Werkstückgewicht und vergleicht sie mit den angegebenen Spezifikationen. Das Handhabungsgewicht wirkt sich hauptsächlich auf das Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten der Schulter- und Ellenbogenachse aus und hat einen wesentlichen Einfluss auf die Vertikalachse. Oft liegt jedoch das Greifergewicht immer unterhalb der Kapazität des Roboters.Massenträgheitsmoment des Greifers beachten Viel entscheidender ist das Massenträgheitsmoment des Greifers, das auf die Handachse des Roboters wirkt. Die Leistung des W-AchsenMotors ist meistens nicht besonders groß, da aus Gründen einer optimalen Dynamik das Gewicht und die Größe des Motors klein gehalten wird. Bei der Drehung des Greifersystemes um die W-Achse beeinflusst das Massenträgheitsmoment die Lageregelung. Solange das Greifersystem konzentrisch zum Mittelpunkt der W-Achse angebracht ist, hält es sich in verträglichen Grenzen. Wird der Greifer jedoch asymmetrisch zum W-Achsen-Drehpunkt angebracht, nimmt es aufgrund des Steinerischen Satzes quadratisch mit dem Abstand zu. Werden noch zusätzliche steife Kabel und Pneumatikschläuche an das Greifersystem herangeführt, kann das erlaubte Trägheitsmoment schnell überschritten werden. Die Folge ist ein Überschwingen oder Vibrieren der Achse, was wiederum zu Zykluszeitverlust führt.Geschweißte Untergestelle mit einer 20 bis 30 mm starken Stahlplatte und einem Gewicht von 300 bis 500 kg bieten in der Regel genügend Masse, um die dynamischen Kräfte, die bei den Horizontalbewegungen des Roboters entstehen, aufzunehmen. Bei Aluminiumprofil-Konstruktionen sollte man vertikale Profile mit einer Seitenlänge von mindestens 100 mm · 100 mm einsetzen. Zudem ist darauf zu achten, dass die verwendeten Profilverbinder die dynamischen Kräfte auf Dauer übertragen können, ohne sich zu lockern. Wird der Roboter auf eine Aluminiumplatte aufgeschraubt, sollte diese eine Stärke von 30 mm aufweisen. Bei einem Al-Gestell empfiehlt es sich, dieses an mindestens zwei diagonal liegenden Punkten mit dem Boden zu verdübeln. Zu empfehlen sind zudem stabile und schwingungsdämpfende Maschinengestellfüße.Der Robotertisch sollte mit einer Maschinenwasserwaage (0,2 mm auf 500 mm) ausgerichtet werden. Peripheriegeräte, die nicht auf oder am Untergestell befestigt sind, werden sinnvollerweise mit diesem massiv verbunden, wenn der Roboter dort Positionen anfahren muss. Damit wird einer möglichen Positionsdrift durch Erschüttungen, Stöße oder Temperatur vorgebeugt. Die Schwingantriebe der Rütteltöpfe und Linearstrecken sollte man jedoch nicht oder nur über Dämpfungsglieder mit dem Untergestell verbinden, da sich die Vibrationen negativ auf die Motorregelung des Roboters auswirken.Oft wird der Arbeitsbereich des Roboters durch ungeschickt angeordnete Peripheriegeräte schlecht zugänglich. Das Teachen von Positionen wird erschwert, und Wartungsarbeiten am Gerät und an der Peripherie sind nur mühsam durchführbar. Am besten platziert man die Zuführungen von Teilen wie Vibrationswendelförderer, Stangenmagazine oder Paletten jeweils in den beiden Schenkeln des Arbeitsbereiches. Die Position des Montagenestes oder Werkstückträgers legt man vorne in die Mitte des Arbeitsbereiches. Dadurch lassen sich auch mehrere Roboterstationen nebeneinander in Linie aufstellen, und der Bediener kann bequem alle Punkte im Arbeitsbereich erreichen. Um einen Maschinenstillstand beim Nachfüllen von Teilen zu vermeiden, sollte sich zum Beispiel der Nachfüllbunker oder Sortiertopf außerhalb der Schutzumzäunung befinden.
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