7. Achse für Cobots: Mehr Reichweite für kollaborative Roboter

Der Cobot hat sich seinen Platz in der Fertigung verdient. Er ist sicher im direkten Umfeld des Menschen, schnell umrüstbar und so einfach zu programmieren, dass ein kleines Team ihn an einem Tag in Betrieb nehmen kann. Diese Kombination ist der Grund, warum sich der kollaborative Roboter in Montage, Maschinenbeschickung, Verpackung und Prüfung so rasch verbreitet hat. Bei vielen Produktionsaufgaben ist es jedoch genau dieser feste Arbeitsbereich, der den möglichen Ertrag des Roboters begrenzt. Eine lineare Verfahrachse – die sogenannte 7. Achse oder Robot Transfer Unit – hebt diese Grenze auf und macht aus einem stationären Cobot einen, der mit einem einzigen Programm mehrere Stationen bedient.

Warum die Reichweite der eigentliche Grenzfaktor für den Cobot-ROI ist

Ein einzelner Cobot erreicht je nach Modell etwa 500 bis 1.300 Millimeter. Innerhalb dieses Arbeitsbereichs nimmt er Teile auf, setzt sie ab, beschickt eine Maschine oder prüft ein Bauteil – mit vorhersehbaren Taktzeiten. Schwierig wird es in dem Moment, in dem die Aufgabe mehr als einen Arbeitsplatz, mehr als eine Palette oder mehr als eine Maschine umfasst. Dann bleiben zwei bekannte Optionen, und keine ist gut. Man kann die Arbeit zum Roboter bringen, was meist mehr Förderbänder, mehr Zuführungen und mehr Stellfläche bedeutet. Oder man kauft einen zweiten Cobot, was die Investitionskosten verdoppelt, ohne die Ausbringung zu verdoppeln.

Eine lineare 7. Achse bietet einen dritten Weg. Montiert man den Cobot auf einer Verfahrachse, verfährt er zwischen zwei, drei oder vier Stationen und erledigt seine Aufgabe an jeder nacheinander. Die stündliche Auslastung des Roboters steigt, die Investitionskosten pro Arbeitsplatz sinken, und die Zelle wird deutlich kompakter. Das ist das gesamte wirtschaftliche Argument, und es trägt am stärksten in genau den Cobot-Anwendungen, in denen ein fester Roboter an seine Grenzen stößt.

Es lohnt sich, beim Return konkret zu werden. Ersetzt ein auf einer Verfahrachse montierter Cobot drei feste Roboter, die drei Maschinen beschicken, entfallen zwei Roboter, zwei Steuerungen und ein Großteil der doppelt vorhandenen Sicherheitstechnik aus der Stükliste. Zugleich wird die Stellfläche frei, die diese Roboter und ihre Schutzeinrichtungen belegt haben. Die Verfahrachse kostet Geld, aber weit weniger als die Roboter, die sie ersetzt – weshalb sich eine Konfiguration mit 7-Achs-Roboter so häufig schon in der ersten Anwendung amortisiert.

Was eine Robot Transfer Unit tatsächlich leistet

Eine Robot Transfer Unit (RTU) ist eine lineare Plattform, die einen Roboter entlang einer eigenen Achse trägt. Mechanisch besteht sie aus einem steifen Tragprofil mit Linearführungen, einem angetriebenen Führungswagen, auf dem der Roboter sitzt, und einem Antrieb – meist Zahnstange-Ritzel oder Zahnriemen –, der die Drehbewegung des Servomotors in eine Verfahrbewegung umsetzt. Die Steuerungsseite ist ebenso wichtig: Die RTU wird als zusätzliche Achse in die Robotersteuerung eingebunden, sodass die lange Linearbewegung Teil derselben Bewegungssequenz wird wie die Gelenke des Cobots selbst. Der Roboter behält an jeder Halteposition entlang der Achse seine programmierte Genauigkeit, und der Programmierer behandelt die Achse als siebtes Gelenk statt als separate Maschine.

Die Einheit muss die Massenträgheit beim Anfahren und Abbremsen eines Roboters aufnehmen, der mehrere Dutzend Kilogramm wiegen kann, der Biegelast eines vom Führungswagen weg ausgreifenden Arms standhalten und beides über Millionen Zyklen hinweg leisten, ohne die Position zu verlieren. Deshalb ist eine speziell entwickelte Robot Transfer Unit mehr wert als eine aus Standardteilen zusammengesetzte Achse: Sie ist als System für die Lasten ausgelegt, die ein fahrender Roboter tatsächlich erzeugt.

Die drei Bausteine eines fahrenden Cobots

Die meisten Zellen mit fahrendem Cobot bestehen aus drei Familien von Linearkomponenten, und welche die richtige ist, hängt davon ab, was der Roboter leisten soll.

Die Robot Transfer Unit

Sie wird auf die Masse des Roboters, seine Nutzlast und das Moment ausgelegt, das bei voll ausgefahrenem Arm entsteht. Stimmt die Steifigkeit, trifft der Roboter sein Ziel jedes Mal; ist sie zu gering, gibt der Führungswagen unter Last nach und der Roboter verfehlt die Position. Bei leichten Cobots und einfachen Aufgaben genügt eine kompakte Robot Transfer Unit. Ist der Roboter schwer, oder soll später ein nicht kollaborativer Industrieroboter eingesetzt werden, braucht es eine Einheit mit der Steifigkeit und Tragfähigkeit, um ihn zu tragen.

Linearachsen

Wo das Verfahren leichter ausfällt oder Teil einer längeren Handlingsequenz ist, statt den gesamten Roboter zu tragen, kann eine riemen- oder kugelgewindegetriebene Linearachse den Roboter oder ein Werkzeug bewegen. Die Linearachsen von Rollon decken ein breites Spektrum an Hublängen und Geschwindigkeiten ab. Das macht sie sowohl als robotertragende siebte Achse als auch als eigenständige Positionierachse nutzbar, die dieselbe Zelle beschickt.

Mehrachssysteme

Wenn die Zelle Bewegungen in mehr als einer Richtung benötigt – heben, verfahren und platzieren –, vereint ein vorkonfiguriertes Mehrachssystem zwei oder drei Achsen zu einem koordinierten Portal. Die Mehrachssysteme von Rollon kommen als geprüfte Einheit, ausgelegt auf Nutzlast und Taktzeit, was dem Maschinenbauer die Ausricht- und Integrationsarbeit abnimmt. Für manche Pick-and-Place- und Beschickungsaufgaben kann ein Mehrachssystem die Arbeit allein übernehmen oder sie sich mit dem Knickarmroboter teilen, um einen größeren Bereich abzudecken.

Wo sich die zusätzliche Reichweite auszahlt

Die Maschinenbeschickung ist der klarste Fall. Ein Cobot auf einer Transfereinheit kann mehrere CNC-Maschinen oder Spritzgießpressen be- und entladen, die entlang seiner Achse aufgereiht sind, und erledigt damit die Arbeit von drei oder vier festen Robotern. Die Ausbringung steigt, ohne dass die Investitionskosten im gleichen Maß mitwachsen, und das Verhältnis von Personal zu Maschine verbessert sich in genau den Lohnfertigungs- und Auftragsfertigungsumgebungen, in denen die Margen knapp sind.

Die Palettierung ist der nächste. Die Palettierung am Linienende bedeutet meist, mehrere Palettenpositionen zu erreichen und höher zu stapeln, als es der statische Arbeitsbereich des Roboters zulässt. Setzt man den Cobot auf eine vertikale oder horizontale Linearachse, kommt diese Reichweite zurück. Fahrende Palettierer gehören aus genau diesem Grund zu den am schnellsten wachsenden Cobot-Anwendungen: Ein kleiner, sicherer Roboter übernimmt Arbeit, für die früher ein großer, eingehauster Industrieroboter nötig war – mit weniger Schutzeinrichtungen und kleinerem Platzbedarf.

Das Handling langer Bauteile ist der dritte. Wenn das Bauteil länger ist, als ein einzelner Roboter bewältigen kann – ein Strangpressprofil, eine Platte, ein Rahmen –, lässt die Transfereinheit den Roboter einfach daran entlangfahren und dabei schweißen, prüfen oder fügen.

So dimensionieren Sie eine 7. Achse

Drei Größen erledigen den Großteil der Arbeit. Erstens die bewegte Masse: der Roboter, seine Nutzlast sowie die mitfahrende Verkabelung und das Schlepppaket. Zweitens das Kragmoment: wie weit der Schwerpunkt bei ausgefahrenem Arm vom Führungswagen entfernt liegt, was die Biegelast auf die Führung bestimmt. Drittens die Dynamik: die benötigte Geschwindigkeit, Beschleunigung und Taktzeit, die über Antrieb und Motor entscheiden.

Stimmen diese Werte, verschwindet die siebte Achse im Roboter. Die Steuerung behandelt sie als weiteres Gelenk, und die Bahn bleibt genau. Stimmen sie nicht, gibt das System entweder unter Last nach oder erreicht seine Taktzeit nicht. Auch das spricht dafür, eine Robot Transfer Unit oder Linearachse zu wählen, die für das Tragen eines Roboters konstruiert und geprüft ist, statt eine Achse aus Standardteilen zu bauen und zu hoffen, dass sie die Position hält.