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Kartesisches Handhabungssystem: 2D-Bewegung & 3D-Bewegung

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Anpassung und Vielseitigkeit

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Kartesische Handhabungssysteme als serielle Kinematik haben Hauptachsen für lineare Bewegungen und Hilfsachsen für die Drehung. Das System fungiert gleichzeitig als Führung, Unterstützung und Antrieb und muss unabhängig von der Struktur des Handhabungssystems in das Gesamtsystem der Anwendung integriert werden.

Standard-Einbaulagen

Alle kartesischen Handhabungssysteme können an beliebiger Stelle im Raum installiert werden. Dadurch kann die Mechanik optimal an die Bedingungen der Anwendung angepasst werden. Hier ist ein Blick auf einige der häufigsten Designs.

Zweidimensional - Diese kartesischen Handhabungssysteme werden in die Kategorien Ausleger und lineare Portale mit ihrer Bewegung in der vertikalen Ebene und planare Flächenportale mit ihrer Bewegung in der horizontalen Ebene unterteilt.

Ein 2D-Kragarm besteht aus einer horizontalen Achse (Y) mit einem vertikalen Antrieb (Z), der an der Vorderseite montiert ist.

Ein lineares Portal ist eine horizontale Achse (Y), die an beiden Enden, links und rechts, befestigt ist. Eine vertikale Achse (Z) ist auf einem Schlitten zwischen den beiden Endpunkten der Achse montiert. Lineare Portale sind in der Regel schlank und haben einen rechteckigen vertikalen Arbeitsraum.

Ein planares Flächenportal besteht aus zwei parallelen Achsen (X), die durch eine Achse (Y) senkrecht zur Bewegungsrichtung verbunden sind. Planare Flächenportale können einen deutlich größeren Arbeitsraum abdecken als Robotersysteme mit Deltakinematik oder SCARA mit ihren kreis- und nierenförmigen Arbeitsräumen.

Neben der konventionellen Konfiguration mit Einzelachsen sind Linearportale und Planflächenportale auch Komplettsysteme mit einer festen mechanischen Kombination mit einem rotierenden Zahnriemen als Antriebskomponente. Durch die geringe Nutzlast sind sie für hohe Leistungen (Pick/min) mit entsprechender Dynamik geeignet.

Dreidimensional - Diese kartesischen Handhabungssysteme sind in die Kategorien Ausleger und 3D-Portale mit Bewegungen auf beiden Ebenen unterteilt.

3D-Kragarme sind zwei parallel montierte Achsen (X) plus eine Kragarmachse (Y) senkrecht zur Bewegungsrichtung, wobei eine vertikale Achse (Z) auf der Vorderseite montiert ist.

3D-Portale bestehen aus zwei parallelen Achsen (X), die durch eine Achse (Y) senkrecht zur Bewegungsrichtung verbunden sind. Auf dieser senkrechten Achse ist eine vertikale Achse (Z) montiert.

Hinweis: Bei Planflächen-, Linear- und 3D-Portalen wird die Kraft zwischen den beiden Auflagepunkten der horizontalen Achsen aufgebracht. Die horizontale Achse am Kragarm wirkt wie ein Hebel, da die Last an ihrem Ende hängt.

Einfachere Programmierung erforderlich

Der Programmieraufwand ist abhängig von der Funktion: Wenn das System nur einzelne Punkte anfahren muss, genügt eine schnelle und einfache SPS-Programmierung.

Wenn eine Wegbewegung erforderlich ist, z.B. beim Auftragen von Klebstoff, reicht die SPS-Steuerung nicht mehr aus. In solchen Fällen ist auch bei kartesischen Handhabungssystemen eine konventionelle Roboterprogrammierung erforderlich. Die Steuerungsumgebung für kartesische Handhabungssysteme bietet jedoch eine große Bandbreite an möglichen Alternativen im Vergleich zu herkömmlichen Robotern. Während herkömmliche Roboter immer die herstellerspezifische Steuerung benötigen, kann für kartesische Handhabungssysteme jede SPS eingesetzt werden, in der Version mit dem besten Funktionsumfang für die Anforderungen und Komplexität der Anwendung. Damit können Kundenspezifikationen eingehalten und eine einheitliche Steuerungsplattform mit einer einheitlichen Programmiersprache und Programmstruktur implementiert werden.

Bei herkömmlichen Robotern ist oft eine komplexe Programmierung erforderlich. Der Einsatz von 4- bis 6-achsigen Systemen für mechanische Aufgaben ist daher mit großem Aufwand verbunden. So müssen beispielsweise bei Linearbewegungen immer alle 6 Achsen gleichzeitig verfahren werden. Auch bei herkömmlichen Roboteranwendungen ist es schwierig und zeitaufwendig, "rechter Arm an linker Arm" zu programmieren. Kartesische Handhabungssysteme bieten hier hervorragende Alternativen.

Die Energieeffizienz ist hoch

Bereits bei der Auswahl des Systems werden die Grundlagen für ein energieeffizientes Handling gelegt. Wenn die Anwendung lange Verweilzeiten in bestimmten Positionen erfordert, unterliegen alle Achsen bei konventionellen Robotern einer Regelung und müssen die Gewichtskraft kontinuierlich kompensieren.

Bei kartesischen Handhabungssystemen ist es in der Regel nur die vertikale Z-Achse, die kontinuierlich Kraft aufbringen muss. Diese Kraft ist erforderlich, um die wirksame Last in der gewünschten Position gegen die Schwerkraft zu halten. Dies kann mit pneumatischen Antrieben sehr effizient erreicht werden, da diese in ihren Haltephasen keine Energie verbrauchen. Ein weiterer Vorteil der pneumatischen Z-Achsen ist ihr geringes Eigengewicht, so dass für die mechanischen Komponenten der X- und Y-Achse und ihres Elektromotors kleinere Baugrößen verwendet werden können. Die reduzierte Nutzlast führt zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs.

Vor allem bei langen Wegen und hohen Taktzahlen treten die typischen Stärken der elektrischen Achsen in den Vordergrund. Daher sind sie oft eine sehr effiziente Alternative für X- und Y-Achsen.

Fazit

In vielen Fällen ist es effizienter und wirtschaftlicher, kartesische Handhabungssysteme anstelle von herkömmlichen Robotersystemen einzusetzen. Für ein breites Anwendungsspektrum ist es möglich, ein ideales kartesisches Handhabungssystem zu entwickeln:

- Die Systeme sind auf die Anforderungen der Anwendung in Bezug auf optimale Wege und Dynamik ausgelegt und werden an die Last angepasst.

- Durch ihren mechanischen Aufbau sind sie einfach zu programmieren: So muss beispielsweise nur eine Achse für vertikale Bewegungen aktiviert werden.

- Durch ihre optimale mechanische Anpassung sind sie energieeffizient, z.B. durch Abschalten der Energieversorgung im Ruhezustand.

- Kartesische Handhabungssysteme sind für die Anwendung platzoptimiert.

- Standardisierte, in Serie gefertigte Komponenten machen kartesische Handhabungssysteme zu einer preiswerten Alternative zu herkömmlichen Industrierobotern.

Und last, but not least: Bei kartesischen Handhabungssystemen wird die Kinematik durch die Anwendung und ihre Peripherie definiert, nicht umgekehrt.