Bereits vor etwa zehn Jahren erkannten Forscher am Schweizer Zentrum für Mikrotechnik und Elektronik (CSEM) die zunehmende Diskrepanz zwischen immer kleiner werdenden Mikrokomponenten und gleichbleibenden Produktionssystemen. Während sich die mechanischen Strukturen eines Roboters jedoch relativ leicht miniaturisieren lassen, gilt das für Antriebe nur eingeschränkt: §Bei konventionellen Systemen bleiben die Motoren im Vergleich zur Mechanik sehr groß. Damit erweist sich auch die konventionelle Kinematik, beispielsweise eines Knickarmroboters, als ungeeignet, weil nach wie vor große Motoren in den Gelenken untergebracht werden“, erklärt Dr. Alain Codourey, Geschäftsführer des Mechatronik-Unternehmens Asyril.
Darum stellten sich die Forscher die Frage, ob es möglich ist, einen Mikroroboter in der Größe 100 mal 100 mal 100 mm³ zu bauen und wie die Kinematik eines solchen Roboters idealerweise beschaffen sein sollte? Um dies zu beantworten, begann ein Forscherteam um den Mikrorobotik-Spezialisten Codourey am CSEM sowie an der Fachhochschule Biel mit der Suche nach Systemen, die sich weit besser für die Handhabung mikrotechnischer Bauteile eignen. „Wir kamen schließlich zu dem Ergebnis, dass parallelkinematische Strukturen das größte Potenzial für unsere Zielsetzung bieten“, erklärt Codourey.
Mit diesem Ziel wurde zunächst die Idee des parallelkinematischen Achssystems verwirklicht. Um für ein geringes Massenträgheitsmoment zu sorgen, sind alle Komponenten möglichst filigran und gewichtssparend ausgelegt. Ein großer Vorteil der gewählten Delta-Konfiguration liegt darin, dass die Motoren zwar für die Bewegung der Kinematik sorgen, selbst jedoch nicht bewegt werden. Stattdessen sind diese am Stützrahmen befestigt und übertragen die Bewegung direkt auf die Struktur. Dieses Konstruktionsprinzip wurde in einer Produktfamilie von Deltarobotern der Firma Asyril umgesetzt: die Modelle Desktop Delta, Power Delta und Pocket Delta sind alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut.
Schlanke Antriebstechnik in der Mikromontage
Nicht nur die Mechanik wurde einer Schlankheitskur unterzogen, auch bei den Antrieben wurde gespart. Anstelle überdimensionierter Motoren mit großer Leistung und entsprechend hoher Wärmeabstrahlung werden bei dem kleinen Deltaroboter platzsparende Mikromotoren von Maxon Motor eingesetzt. Drei Motoren des Typs EC-i 40, die alle an einer Platte oberhalb des Roboters angebracht sind, treiben den Parallelmechanismus des Roboters an. Damit ist die bewegte Masse klein und der Roboter deshalb dynamisch. Für einen Pick-and-Place-Zyklus benötigt der Deltaroboter 0,33 s und schafft damit drei Zyklen pro Sekunde. In Verbindung mit der hohen Steifigkeit der kinematischen Struktur erreichen der Roboter eine Wiederholgenauigkeit von weniger als 3 µm.
Technik im Detail
Parallelkinematik-Roboter basieren auf einer Kinematik, bei der drei bis sechs parallel angeordnete Linearachsen oder Gelenkarmen, die in einer festen Basis gelagert sind, die Greiferplattform führen. Durch die parallele Anordnung bilden die Achsen eine geschlossene kinematische Kette, was gegenüber Vertikal- oder Hoizontal-Knickarmrobotern eine höhere Wiederholgenauigkeit und Steifigkeit der Konstruktion ermöglicht, jedoch den Arbeitsraum begrenzt. Abhängig von der Achszahl ist die Bezeichnung Tripod-Roboter für dreiachsige und Hexapod-Roboter für sechsachsige Kinematiken mit parallelen Linearachsen gängig. Quelle: xpertgate.de
Die bürstenlosen Gleichstrommotoren haben einen Durchmesser von 40 mm und verfügen über eine Leistung von 50 W. Damit der Deltaroboter nicht nur schnell, sondern auch präzise seine Position anfährt, muss auch die Winkelposition des Motors präzise gemessen werden. Um die Position zu erfassen, sind die Mikromotoren deshalb direkt mit hochauflösenden Drehgebern gekoppelt. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion besteht darin, dass beim dem Deltaroboter auch auf ein Getriebe verzichtet werden kann. Außerdem verfügt jeder Motor über eine Feststellbremse, welche Asyril konstruiert hat. Hierbei handelt es sich um kleine Stifte, die mit einer Feder die Motorachsen halten. Um die Bremse zu lösen, werden diese während des Betriebes des Roboters mit Elektromagneten weggezogen. Die Steuerung des Roboters ist zudem vollständig im Roboter integriert und kommuniziert über eine Ethernet-Schnittstelle.
Zur Anwendung kommt der Deltaroboter in verschiedenen Industrien. Vor allem aber das Sortieren, Auswählen und Bearbeiten von Mikrobauteilen in der Uhrenindustrie ist seine Paradedisziplin. Er eignet sich für Montage von beinahe allen Teilen in einem mechanischen Uhrwerk, zum Beispiel von Schrauben, Nieten, Bolzen oder Zahnräder. Aber auch in der Medizintechnik und in der Elektronik- und Halbleiterindustrie kommt der Roboter zum Einsatz. Die typische Größe der zu bewegenden Teile liegt zwischen 0,5 und 15 mm.
Anja Schütz
(mf)
