Efficiënte gantrysystemen in opmars

Als verre voorouders van de klassieke zesassige robot, spelen de gantry-, of ook xyz-systemen binnen de automatisatie nog steeds een belangrijke rol. Naast onder meer het moduleerbaar, toegankelijk DNA van deze xyz-robots, spelen hiervoor een hele resem andere motieven mee. Joris Ceyssens en Timen Flore van machinebouwer Vintiv duiden de verschillende eigenschappen en zetten een wel heel bijzonder, eigen gantryproject in de verf.

De zesasser hoeft anno 2023 echt geen introductie meer: de betrouwbare robot domineert al meerdere decennia de geautomatiseerde lasstraten, assembleerlijnen en laksystemen. We hebben er in grote mate onze betaalbare personenwagens aan te danken. Het robotsysteem gooit bovendien hoge ogen in alle snelle pick and place omgevingen, zoals de farmacie, elektronica of verpakkingsindustrie. Een quasi ongelimiteerd toepassingsveld, zo lijkt het wel. 

De actieve werkruimte van een klassieke robot wordt echter bepaald door zowel zijn topologische inplanting, de configuratie van de arm als de ergonomie errond. Een zesasser heeft bijgevolg geen toegang tot bepaalde coördinaten die met de eigen locatie samenvallen. Bovendien wordt in een aantal gevallen de manipulatie van echt heel grote voorwerpen een waar probleem. Voor dit soort situaties blijken gantries een prima oplossing. En zoals de inleiding het suggereert: niks nieuws onder de zon. We kennen gantrysystemen in feite al sinds de vorige eeuw, en zelfs vroeger. Met als grote klassieker de onvermijdelijke rolbrug, en als recentere variant de alom ingeburgerde 3D-printer. Elke gantry is gebaseerd op lineaire robot-topologie die een eindfunctionaliteit volgens de drie xyz-bewegingsassen naar voorgeprogrammeerde coördinaten brengt. Zo’n xyz-machine is, in tegenstelling tot een zesassige robot, makkelijk en modulair door de gebruiker op te bouwen. Het is geen geïntegreerd, kant en klaar koopdeel dat je uit een catalogus haalt. 

Naast een veelvoud aan cartesisch gepositioneerde manipulaties, zoals CNC-verspaning, PCB-bouw, de montage van medische instrumenten, enzovoort, zijn gantries ook in onder meer de bouwindustrie (op- en afstapelen van bouwpanelen, 3D-betonprinting…) erg gegeerd. Daarnaast worden ze ook ingezet bij geautomatiseerd plasma- en lasersnijwerk, en allerlei cartesisch pick-and place werk. De reden ervoor ligt voor de hand: elk van deze taken wordt verondersteld in een of meerdere cartesische vlakken te worden uitgevoerd, zonder dat hiervoor bijkomende rotaties nodig zijn. 

Voordelen van een gantry ten opzichte van een zesasser

- Flexibel en schaalbaar

Van een spreekwoordelijk zakmodel tot een mastodont die een volledige productiehall overspant: dit vat de quasi onbeperkte schaalbaarheid samen van xyz-robotica. In sommige gevallen wordt zelfs voor “maar” xy of xz gekozen, want ook naar het gebruik van de assen toe is de flexibiliteit totaal. Bij klassieke robots ligt de zaak anders: je hebt bij elke robot supplier een bepaald gamma van lasten en reikwijdtes waaruit je kunt kiezen of configureren. Er is geen speelruimte buiten dit gamma.

De straks te bespreken panelen-gantry van Vintiv is er bijvoorbeeld een die op twee poten rust, en slechts twee assen gebruikt. 

- Ruimte-invulling, actieradius en payloads

Waar een traditionele robot op een sokkel staat, en van daaruit 360° kan ronddraaien, hangt een gantry boven de actieruimte. Daardoor kan de gantry elk mogelijk punt in die ruimte bereiken zonder hierbij zichzelf als obstakel tegen te komen, een oud zeer bij zesassers. 

Een ander aspect is de verhouding payload en reikwijdte. Deze variabelen zijn voor klassieke robots standaard als evenredigheid aanwezig. Soms heeft men echter te maken met relatief lichte producten die tegelijkertijd wel volumineus uitpakken. De keuze voor een klassieke robot zou hier meteen voor overkill in payload zorgen, wat in dergelijke gevallen gantries veel efficiënter maakt. In theorie is de gantry wel minder bewegingsvriendelijk dan een zesassige robot, maar men kan dan in specifieke gevallen op de grijper een ronddraaiende beweging bij configureren, door middel van een extra draaikrans.

- Onderhoud

Gemiddeld heeft men aan een commerciële robot, van welke fabrikant ook, maar weinig onderhoud. De toestellen zijn ontworpen om heel lang mee te gaan. Het belangrijkste nadeel is dat de toestellen bij eventuele defecten voor de klant niet toegankelijk zijn. De herstelling zal door derden moeten gebeuren. De echte grootgebruikers van robots sluiten daarom servicecontracten af die zowel het preventief onderhoud, de revisies als de herstellingen ervan dekken. 

Gantries omvatten een open metalen frame waar alle technische periferie wordt opgebouwd. Een naakte, toegankelijke structuur dus, waaraan de klant bijgevolg zelf onderhoud of herstellingen kan uitvoeren. 

Timen Flore: “We ontwikkelden die gantry om grote vinyl-panelen te stapelen en ont-stapelen.” Voor de opbouw van de lineaire geleidingen werd bewust voor een grote, robuuste stalen structuur gegaan. Vintiv wilde voor deze toepassing immers niet terugvallen op de standaard lineaire geleidingssystemen zoals deze commercieel worden aangeboden. Flore: “Het klopt dat men zo’n gantry in principe ook met de klassieke koopdelen zou kunnen opbouwen, maar voor deze machine wilden we anticiperen op defecten, reparaties en de lastige uitlijning die er vaak mee gepaard gaat. Ons systeem omvat daarom een alternatieve lineaire geleiding, die gebaseerd is op een staalstructuur waarover met rubber gecoate wielen wordt gereden.” 

De beweging zelf wordt aangedreven via een riem door middel van een servomotor met encoder. De wielen worden aan beide kanten geklemd, en kunnen dankzij het rubberen loopvlak niet doorslippen. Zo wordt de positionering te allen tijde gewaarborgd. Dit voor zowel de x-beweging met de grote wielen, als voor de z-beweging. De bewegingsas wordt verzorgd door een alu-profiel waar met wielen over wordt gereden. “Zo anticiperen we op meerdere problemen tegelijk, en moet hooguit af en toe eens een wiel worden vervangen, maar nooit de hele staalstructuur”, aldus Timen Flore. Bovendien leent dit soort externe geleidingen zich uitstekend tot toepassing in meer belastende, vuilere bedrijfsomgevingen.

Een schoolvoorbeeld van hoe de gantryrobot als een efficiënt, onderhouds- en budgetvriendelijk alternatief kan worden ingezet. ■