X-Y-Z-Roboter und Mehrachsensensoren treiben die Automatisierung voran

Die moderne Industrielandschaft befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel, der durch die zunehmende Komplexität von Robotersystemen vorangetrieben wird. Die Automatisierung entwickelt sich über einfache, repetitive Aufgaben hinaus und umfasst nun komplexere, nuanciertere Vorgänge, die von Maschinen mehr Intelligenz und Anpassungsfähigkeit verlangen.

An der Spitze dieser Entwicklung in der industriellen Automatisierung stehen X-Y-Z-Roboter, eine grundlegende und präzise Kategorie von Industrierobotern, die auch als kartesische, geradlinige oder Portalroboter bezeichnet werden. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre Bewegung entlang drei senkrechter Achsen aus, wodurch sie hochpräzise und wiederholbare Aktionen ausführen können. Diese Roboter sind mit standardmäßigen industriellen Steuerungssystemen kompatibel, was eine nahtlose Integration in bestehende Automatisierungszellen und Förderbänder ermöglicht und den Einsatz in verschiedenen Fertigungsumgebungen optimiert, wie in unserer Fallstudie „Sensor Technologies Advance Function in Varied Robot Types” beschrieben.

X-Y-Z-Roboter sind auf mechanische Präzision und Bewegungssteifigkeit ausgelegt. Gleichzeitig liefern Wägezellen Echtzeit-Sensordaten zu Kraft und Drehmoment und sorgen so für einen wichtigen „Tastsinn“. Wägezellen, insbesondere Mehrachsensensoren, die Kräfte und Momente über verschiedene Ebenen hinweg messen, sind entscheidend für die Verbesserung der Funktionsleistung dieser Roboter, da sie ihnen eine beispiellose Sensibilität, Präzision und Intelligenz im Umgang mit der physischen Welt verleihen.

Die leistungsstarke Kombination aus X-Y-Z-Robotik und mehrachsigen Sensormessfunktionen revolutioniert verschiedene automatisierte Anwendungen, darunter:

• Montage
• Materialtransport
• Qualitätskontrolle und -prüfung
• 3D-Druck
• Lagerlogistik
• Pick-and-Place-Vorgänge
• CNC-Bearbeitung
• Endbearbeitung, Schneiden und Polieren
• Chirurgische und medizinische Robotik
• Cobots
• Fördersortierung und -platzierung

Was genau sind X-Y-Z-Roboter?

Diese Roboter werden grundsätzlich durch ihre Bewegung entlang dreier senkrechter Achsen – X, Y und Z – definiert, was eine präzise lineare Bewegung ermöglicht und ihre Fähigkeit unterstreicht, sich in geraden Linien oder innerhalb eines definierten Raums zu bewegen.

Die X-Y-Z-Roboter bieten mehrere überzeugende Vorteile, die sie ideal für bestimmte industrielle Anwendungen machen, darunter hohe Tragfähigkeit, starre Strukturen und mechanische Stabilität, hohe Wiederholgenauigkeit, Genauigkeit und Geschwindigkeit.

Der Bewegungsmechanismus umfasst drei Gleitgelenke, die eine lineare Bewegung entlang der X-, Y- und Z-Achse ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Konstruktion ist die Fähigkeit des Arms, sich gleichzeitig entlang aller drei Achsen zu bewegen, was zu einer gleichmäßigeren Bewegung der Werkzeugspitze führt. Dadurch kann sich der Roboter direkt zu seinem vorgesehenen Punkt bewegen, anstatt sequenziellen Bahnen parallel zu jeder Achse zu folgen.

Diese Roboter werden aufgrund ihrer robusten Struktur und ihrer sehr hohen Wiederholgenauigkeit bei minimalen Fehlern oft als Gantry- oder kartesische Roboter bezeichnet. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Aufgaben, die eine konsistente und präzise Positionierung erfordern. Funktional sind viele dieser Roboter in hohem Maße anpassbar. Benutzer können die Hublänge, Achskombinationen (XY, XZ, XYZ), Antriebstypen und Nutzlastkapazitäten auswählen.

Wie Wägezellen die Fähigkeiten von Robotern verbessern

Wägezellen liefern Echtzeit-Feedback über die Kraft, die bei der Interaktion mit Objekten oder ihrer Umgebung ausgeübt wird. Dieses taktile Feedback ist es, was die Fähigkeiten eines Roboters über die reine Positionsgenauigkeit hinaus wirklich verbessert.

Die Integration von Wägezellen verbessert sowohl die Präzision als auch die Sicherheit von Roboteroperationen erheblich. Wägezellen ermöglichen es Robotern, genau die Kraft aufzubringen, die für eine Aufgabe erforderlich ist. Diese Fähigkeit, präzise Kraft aufzubringen, kombiniert mit der inhärenten hohen Positionsgenauigkeit von X-Y-Z-Robotern, ermöglicht ein bisher unerreichtes Maß an Geschicklichkeit.

Diese Roboter können heikle Aufgaben ausführen, zerbrechliche Materialien handhaben und sich an geringfügige Veränderungen in der Umgebung anpassen, wobei sie mithilfe von Wägezellensensorik eine menschenähnliche taktile Intelligenz widerspiegeln.

Die Echtzeit-Kraftüberwachung ist entscheidend, um Schäden an Objekten zu vermeiden und einen sicheren Griff zu gewährleisten, ohne Gegenstände zu zerquetschen oder fallen zu lassen. Der Einsatz von Wägezellen kann „Leistungs- und Kraftbegrenzungsmechanismen” ermöglichen, die bei Erkennung einer möglichen Kollision oder Überlastung die Geschwindigkeit und Kraft reduzieren und so menschliche Mitarbeiter schützen. Dadurch wandelt sich die Wahrnehmung von Robotern von gefährlichen Maschinen zu kooperativen, anpassungsfähigen Werkzeugen.

Durch die Kraftrückmeldung von Wägezellen können sich Roboter an verschiedene Aufgaben und Objekte anpassen, was ihre Vielseitigkeit erheblich erhöht. Dazu gehört auch eine hochpräzise Schubsteuerung für vielfältige Anwendungen. Der Multisensor-Ansatz ermöglicht es Robotern, komplexe Aufgaben auszuführen, die mehrere Eingaben erfordern.

TIPP: Lesen Sie unsere Artikel „Mit mehrachsigen Sensoren Robotik zum Leben erwecken“ und „Wie Präzisionssensoren die Roboterrevolution vorantreiben“.

Mehrachsige Wägezellen maximieren die Sensorik für robotergestützte Präzision

Die Wahl des Wägezellentyps ist für bestimmte Roboteranwendungen von entscheidender Bedeutung, wobei die mehrachsigen Wägezellen von Interface unterschiedliche Kraft- und Drehmomentmesskapazitäten bieten.

• 2-Achsen-Wägezellen messen horizontale Kräfte und eignen sich ideal für Anwendungen, die eine planare Kraftrückmeldung ohne Drehmomentdaten erfordern. Sie sind kostengünstig und haben ein kompaktes Design. Typische Roboteranwendungen, die 2-Achsen-Wägezellen von Interface verwenden, sind unter anderem Pick-and-Place, Materialhandhabung, automatische Kollisionsvermeidung, Verpackung und Sicherheitsüberwachung.
• 3-Achsen-Wägezellen bieten ausgewogene Präzision durch Erfassung mehrdimensionaler Kräfte. Diese 3-Achsen-Sensoren sind unverzichtbar für Aufgaben, die eine kontrollierte vertikale Kraftübertragung erfordern. Sie sind von mittlerer Komplexität und dadurch kostengünstiger, liefern jedoch wichtige Daten zur Z-Achse. Zu den Anwendungsbereichen zählen medizinische und chirurgische Roboter, Polierroboter und Laborautomatisierung zur Steuerung.
• 6-Achsen-Wägezellen bieten vollständige Situationserkennung, indem sie sowohl lineare Kräfte als auch Drehmomente messen und aufgrund ihres hohen Dynamikbereichs eine äußerst reaktionsschnelle Kraftsteuerung in Hochgeschwindigkeitsanwendungen unterstützen. 6-Achsen-Sensoren mit Schnittstelle kommen in CoG für Roboterarme, in der Luft- und Raumfahrtmontage, in humanoiden Robotern und sogar in Weltraumfahrzeugen zum Einsatz, wo sie die Greifkräfte auf unebenem Gelände anpassen, um Proben zu sammeln.

Interface-Mehrachsen-Wägezellen werden sowohl in Standardausführungen als auch als kundenspezifische Sensoren für verschiedene Kapazitäten und Größen angeboten. Die Integration von Wägezellen in dynamische Robotersysteme bietet eine einzigartige technische Möglichkeit zur Messung komplexer Gelenkbewegungen, unterschiedlicher Kombinationen von Fremdlasten, Momenten und Kraftpaaren sowie der durch Beschleunigung und Verzögerung (aufgrund von Trägheit) erzeugten Spitzenkräfte. Dies unterstreicht den interdisziplinären Charakter der modernen Robotik, die Maschinenbau mit modernster Sensortechnologie verbindet.

X-Y-Z-Roboter und Mehrachsensensoren im Einsatz

Die synergetische Kombination aus der mechanischen Präzision von X-Y-Z-Robotern und der taktilen Intelligenz von Wägezellen revolutioniert eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Diese Kombination ermöglicht es Robotern, Aufgaben mit einem Maß an Kontrolle und Anpassungsfähigkeit auszuführen, das bei der Verwendung von Wägezellentechnologien bisher nicht erreichbar war.

Präzisionsmontage

Die hohe Wiederholgenauigkeit und Präzision von X-Y-Z-Robotern wird durch die entscheidende Empfindlichkeit von Wägezellen ergänzt. Dadurch können Roboter empfindliche Komponenten handhaben und komplexe Teile mit präziser Kraft montieren, wodurch Beschädigungen vermieden werden und eine perfekte Passform gewährleistet ist. Diese Fähigkeit ist bei der Montage von Elektronik, der Handhabung zerbrechlicher Gegenstände und sogar bei Mikro-Montageaufgaben von entscheidender Bedeutung.

Qualitätskontrolle und Inspektion

Mehrachsige Sensoren sind besonders gut geeignet, um kleinste Änderungen in Kraft, Drehmoment und Gewicht zu erkennen, was sie für die automatisierte Qualitätssicherung unverzichtbar macht. Diese Fähigkeit gewährleistet die Konsistenz der Produkte und ermöglicht die schnelle Identifizierung von Abweichungen. Beispiele hierfür sind die Erkennung fehlender Komponenten, wie z. B. einer einzelnen fehlenden Schraube in einem Flatpack-Artikel, die Sicherstellung eines gleichmäßigen Verschlussdrucks auf Beuteln oder Schalen sowie allgemeine Qualitätskontrollen zur Überprüfung der Produktintegrität und der Gewichtsangaben.

Medizinische und pharmazeutische Automatisierung

Die Kombination aus der Präzision von X-Y-Z-Robotern und der empfindlichen Kraftrückmeldung von Wägezellen ist in sterilen Umgebungen mit hohen Anforderungen, in denen Genauigkeit und schonende Handhabung von entscheidender Bedeutung sind, von entscheidender Bedeutung. Dies gilt sowohl für die präzise Handhabung, Kennzeichnung und Positionierung von Proben in der Laborautomatisierung als auch für die chirurgische Robotik, die eine vertikale Kraftrückmeldung für heikle Aufgaben wie die Handhabung von Gewebe und das Nähen erfordert.

Lager und Logistik

X-Y-Z-Portalroboter eignen sich aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit besonders für den Schwerlasttransport und für Pick-and-Place-Vorgänge mit hohem Volumen. Wägezellen verbessern diese Anwendungen, indem sie es den Robotern ermöglichen, den Griff dynamisch an die Eigenschaften des Objekts anzupassen und eine sicherere Navigation zu gewährleisten. Dazu gehören die automatisierte Regalentnahme, die Sortierung von Kartons und das Scannen von Barcodes in intelligenten Lagern sowie das effiziente Verpacken und Palettieren, bei dem Roboter ihre Kraft anpassen können, um ein Zerquetschen oder Fallenlassen von Gegenständen zu verhindern.

Fortschrittliche Fertigungsprozesse

Über den einfachen Materialtransport hinaus ermöglicht die Kraftsteuerung X-Y-Z-Robotern die Ausführung komplexer Prozessaufgaben, die einen konstanten Druck oder ein bestimmtes Drehmoment erfordern. Dazu gehören Polierroboter, die einen gleichmäßigen Druck auf Oberflächen ausüben, CNC-Bearbeitung und Laserschneiden, bei denen große Portalroboterkonfigurationen präzise Werkzeugwege mit konstanter Krafteinwirkung ausführen. Darüber hinaus umfasst dies die automatisierte Dosierung von Klebstoffen, Schmiermitteln oder Dichtungsmassen sowie Endbearbeitungsvorgänge wie Schleifen, Polieren, Entgraten und Trimmen. Es erstreckt sich auch auf Schweiß-, Bohr- und Sprühanwendungen, bei denen bestimmte Kraft- oder Druckprofile erforderlich sind.

Kollaborative Roboter (Cobots)

Obwohl viele Cobots gelenkig sind, gelten die Prinzipien der Kraftsteuerung allgemein, auch für kartesische Cobots. Wägezellen sind für die Sicherheit und Funktionalität von Cobots von grundlegender Bedeutung, da sie es ihnen ermöglichen, ohne herkömmliche Sicherheitsbarrieren neben Menschen zu arbeiten. Dies zeigt sich insbesondere in gemeinsamen Arbeitsbereichen, in denen Funktionen zur Leistungs- und Kraftbegrenzung implementiert sind. Diese Funktionen nutzen Sensoren, um potenzielle Kollisionen oder Kraftüberlastungen zu erkennen und automatisch die Geschwindigkeit zu reduzieren oder den Roboter anzuhalten. Darüber hinaus steht für die Programmierung eine Handführung zur Verfügung, mit der Bediener den Roboterarm physisch bewegen können, um ihm eine Abfolge von Schritten beizubringen.

Die Zukunft der Automatisierung ist präzise und wahrnehmungsfähig

Die Fähigkeit von Wägezellen, genaue Daten in Echtzeit zu erfassen, um fundierte Entscheidungen zu treffen und Daten zu sammeln, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Prinzipien von Industrie 4.0. Die Einführung von Echtzeit-Kraftrückmeldung durch Wägezellen bedeutet einen entscheidenden Wandel von programmierter Automatisierung zu „intelligenter Automatisierung”. Traditionell waren X-Y-Z-Roboter für ihre starren, wiederholbaren Bewegungen auf der Grundlage vorprogrammierter Positionen bekannt. Wägezellen bieten jedoch Funktionen wie feinfühlige Handhabung, Anwendung der exakten Kraft, Erkennung kleiner Gewichtsänderungen, Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Drucks nach unten und Drehmomentausgleich. Das bedeutet, dass Roboter nicht mehr nur vordefinierte Bahnen ausführen, sondern ihre Interaktion mit der Umgebung wahrnehmen und ihr Verhalten in Echtzeit anpassen. Dies führt zu einer höheren Qualität der Ergebnisse, weniger Ausschuss und der Möglichkeit, Aufgaben zu automatisieren, die zuvor als zu komplex oder zu sensibel für Maschinen galten, was letztlich zu einer höheren Effizienz und Robustheit in der Fertigung führt.

X-Y-Z-Roboter bieten eine außergewöhnliche mechanische Präzision und Steifigkeit für Bewegungen, während Wägezellen Echtzeit-Sensordaten über Kraft und Drehmoment liefern. Die leistungsstarke Kombination aus der inhärenten mechanischen Präzision und Steifigkeit von X-Y-Z-Robotern mit der taktilen Intelligenz von Wägezellen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der industriellen Automatisierung dar.

Die unvermeidliche Konvergenz von mechanischer Präzision und sensorischer Intelligenz prägt die Zukunft der Robotik. Die Zukunft der Robotik besteht nicht nur darin, Roboter schneller oder stärker zu machen, sondern sie mit der Fähigkeit auszustatten, ihre Umgebung dynamisch und sicher wahrzunehmen und sich daran anzupassen.