Greifen - prüfen - messen - schonen

Intelligente Sensoren machen Aktoren zu feinfühligen Helfern in der Automatisierung

(PresseBox) (Lauffen/Neckar, ) Sensoren sind in der Automatisierung die entscheidenden Sinnesorgane von Maschinen und Anlagen. Während Greifmodule und andere Aktoren früher gewissermaßen gefühllos und stur exakt vordefinierte Aufgabe erledigten, werden sie heute mit Hilfe intelligenter Sensoren zu feinfühligen und flexiblen Helfern im Fertigungsprozess. Sie versorgen die Anlage mit wichtigen Informationen über den Prozess, die Produkte bzw. Bauteile sowie die Anlagenfunktion. Das erhöht die Flexibilität, verkürzt die Fertigungszeit, sichert die Produktqualität, vermeidet Anlagenstörungen und schont die Automatisierungssysteme.

Je stärker Qualitätsanforderungen, Variantenvielfalt und Kostendruck zunehmen, desto wichtiger wird der Einsatz intelligenter Automatisierungs- und Sensorlösungen. Der Spann- und Greiftechnikspezialisten SCHUNK aus Lauffen am Neckar bietet bereits heute ein umfassendes Sensorprogramm, das abgestimmt auf die individuellen Anforderungen und Einsatzumgebungen vielfältige Möglichkeiten der Auswertung bietet. Sie werden immer weiter in den jeweiligen Aktor integriert und verschmelzen mit der Automatisierungskomponente zu einer feinfühligen Einheit.

Induktive Näherungsschalter widerstehen Vibrationen, Staub und Wasser

Sensoren in Aktoren dienen zunächst einmal dazu, den Zustand der Komponente abzufragen. Im einfachsten Fall erfasst ein induktiver Sensor dabei zwei mögliche Zustände: "offen " und "geschlossen". Mit Hilfe einer Oszillatorspule erzeugen sie ein hochfrequentes, magnetisches Wechselfeld. Sobald ein metallenes Objekt in dieses Feld eintritt, entzieht es dem Magnetfeld Energie. Dadurch verkleinert sich die Schwingungsamplitude. Diese Änderung wird erkannt und der Sensor schaltet berührungslos.

Elektronische Magnetschalter in Nuten tragen nicht auf

Magnetschalter können komplett z.B. in den Aktor integriert werden. Anstelle der Position der Greiferfinger fragt der Sensor dann die Position des Kolbens im Innern des Greifers ab. Der Kolben ist dazu mit einem kleinen Magneten ausgestattet. Der Sensor nimmt die Annäherung des Magneten wahr und kann entsprechend den Kontakt elektronisch öffnen und schließen.

Magnetschalter der neuesten Generation (z.B. der MMS-P 22 von SCHUNK) sind programmierbar und können statt einem nun auch zwei Schaltpunkte erkennen. Außerdem lassen sich auch die Ausschaltpunkte programmieren, was zur Verbesserung der Prozessstabilität genutzt werden kann.

Kabelloses Sensorsystem schafft Sicherheit für Mensch, Maschine und Prozess

In bestimmten Umgebungen oder bei speziellen Anwendungen können Sensorkabel zu einem entscheidenden Hindernis werden. Für Bearbeitungszentren, Dreh- oder Schleifmaschinen, für beengte Handhabungsapplikationen, aber auch für widrige Umgebungen empfiehlt sich daher der Einsatz der kabellosen Funk-Sensorik RSS.

Gerade bei modernen, hochdynamischen Maschinen erweist sich die Kabelführung mehr und mehr als Problem. Kabelstörungen gelten als einer der häufigsten Gründe für Anlagenstörungen. Die Fehlersuche ist aufwändig und zeitintensiv. Insbesondere in der Fertigungsautomation gewinnt daher das funkbasierte System zur Überwachung des vollautomatischen Werkstückwechsels zunehmend an Bedeutung. Die Sensoren überwachen dabei den Hub der Greiferbacken und melden den Zustand an einen Sender. Dieser übermittelt die Information per Funk an einen Empfänger, der mit der Steuerung verbunden ist.

Statt umfangreicher Abdichtungen, Kabelpanzerungen, Zugentlastungen und dem Einsatz beschränkt haltbarer Schleifringe für Rotationsachsen umgeht das Funksensor-Systeme RSS sämtliche mechanischen Hürden. Mit seiner Hilfe kann die Taktzeit verkürzt und die Sicherheit für Mensch, Maschine und Prozess deutlich erhöht werden.

Ein Spezialist für besonders raue Umgebungen

Wenn hohe Temperaturen herrschen, wenn zum Schutz vor Explosionen keinerlei elektrischen Bauteile zulässig sind, wenn aggressive Flüssigkeiten, extreme Mengen heißer Späne oder Kühlschmiermittel zu verkraften sind, können konventionelle Sensorsysteme überfordert sein. Bei pneumatisch angetriebenen Aktoren ermöglicht in diesen Extremsituationen das fluidische Abfragesystem PA3 von SCHUNK eine präzise und zuverlässige Aussage über deren aktuelle Position bzw. den Prozessstatus. Der Aktor wird dafür lediglich mit zwei zusätzlichen Pneumatik-anschlüssen ausgestattet. Über eine einzige zusätzliche pneumatische Messleitung und ein UND-Ventil wird die Information "offen", "gegriffen" oder "geschlossen" an die Steuerung zurückgeführt. Dies geschieht komplett ohne den Einsatz elektrischer Sensoren oder zusätzlicher Kabel.

Sensor auf Hall-Basis für mehr als zwei Schaltpunkte

Wenn das Sensorsystem zwischen drei und fünf unabhängige Schaltpunkte ermöglicht, gewinnt der Aktor, bzw. im Speziellen das Greifmodul zusätzliche Funktionalität. Der Greifer kann dann parallel auch zum Prüfen und Sortieren von Teilen eingesetzt werden. Die flexiblen Positionssensoren FPS bieten genau diese Möglichkeit. Sie ermitteln die Position der Greiferbacken und geben digital aus, in welchem der fünf vordefinierten Positionsbereiche sich die Backen befinden. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Teile automatisch erkennen und sortieren. Ebenso einfach ist eine durchgängige Qualitätskontrolle möglich, bei der Gutteile von Teilen außerhalb eines frei definierbaren Toleranzbereichs unterschieden werden.

Positioniersystem für miniaturisierte Greifer

Bei miniaturisierten Greifmodulen ist die Positionsabfrage eine besondere Herausforderung. Aufgrund ihrer Größe scheiden herkömmliche Sensorsysteme aus. Während bisher eine Detektion des Greifers daher nur über eine separate Kamera möglich war, können in jüngster Zeit in sauberer Umgebung auch optische Sensoren diese Aufgabe übernehmen. Die optischen Sensoren ONS von SCHUNK senden über einen Lichtwellenleiter Licht aus. Über eine Auswertung der Menge des reflektierten Lichtes erkennt der Sensor den Abstand zur Refektionsfläche und damit die die Positionen von zum Beispiel kleinen Greiferbacken.

µ-genaue Präzisionssensoren ersetzen komplette Messstation

Zur Spitzenklasse unter den Positioniersensoren gehören die hochauflösenden, analogen Sensoren APS von SCHUNK, die Greifmodule zusätzlich in eine Präzisionsmessstation verwandeln. Mit extrem hoher Genauigkeit von bis zu 0,003 mm vermisst der Aktor im laufenden Prozess jedes einzelne gegriffene Teil. Mit Hilfe der SPS lassen sich beliebig viele Schaltpunkte definieren und damit beliebig viele Teile bzw. Toleranzbereiche unterscheiden. Die hochauflösenden Positioniersensoren ermöglichen eine 100-prozentige Teilekontrolle und können eine komplette Messstation inklusive der für die Vermessung notwendigen Prozessschritte ersetzen.

Das mechanische, analoge System aus Sensor und Elektronik erfasst dabei hoch-genau die Position der Greiferbacken. Bei langhubigen Bewegungen wird die Bewegung über eine schiefe Ebene an den Sensor übergeben, da dessen Messweg nur wenige Millimeter lang ist, dieser kurze Weg aber extrem hoch aufgelöst wird. Analoge Positioniersensoren verfügen über eine deutlich höhere Genauigkeit.

Ausgeglichene Greifkraft schont das komplette System

Während die bisher vorgestellten Sensorsysteme die jeweilige Position des Aktors erfassen, messen Kraftmesssystem, wie etwas das FMS von SCHUNK, Kräfte, die über sie fließen. Bei einem Greifer etwa werden die Greiffinger mit Kraftmessbacken ausgestattet. Beim erstmaligen Teachen und bei regelmäßigen Kontrollmes-sungen werden die auf die Finger wirkenden Greifkräfte erfasst. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich beispielweise beim Greifen fest fixierter Werkstücke vermeiden, dass das Robotersystem durch ein einseitiges Greifen permanent bei jeder einzelnen Greifoperation Belastungen ausgesetzt ist. Bereits die minimale Fehlstellung eines Greifers von ein bis zwei Hundertstel Millimeter würde den Roboterarm ansonsten bei jedem einzelnen Greifvorgang mit der vollen Greifkraft in eine Richtung belasten. Auf Dauer würde das System so an Präzision verlieren und deutlich schneller verschleißen als bei einem kraftkontrollierten Zugriff.

Zudem lässt sich mit Kraftmessbacken sowohl die statische als auch die dynami-sche Greifkraft präzise einstellen und kontrollieren. So ist sichergestellt, dass Bauteile selbst bei hochdynamischen Bewegungen sicher gegriffen werden. Im Rahmen einer vorbeugenden Instandhaltung kann mit Hilfe von Kraftmesssystemen in regelmäßigen Zyklen die Funktionsfähigkeit von Greifern geprüft werden. Beides erhöht die Prozesssicherheit und vermeidet unerwartete und teure Stillstandzeiten während des laufenden Betriebs.

Kräftemessen in jeder Dimension

Besonders feinfühlig werden Automatisierungskomponenten sowie Mess- und Prüfeinrichtungen in Kombination mit Kraft-Momenten-Sensoren. Diese Sensoren ermitteln dabei präzise, welche Kräfte und Momente in allen sechs Achsen wirken. Auf diese Weise lassen sich Positionsungenauigkeiten von Werkstücken oder Werkzeugen ausgleichen, Arbeiten an bewegten Werkstücken ausführen und Werkzeuge, Werkstücke und Automatisierungssystem vor Überlastungen schützen. Kraft-Momenten-Sensoren eignen sich für steife Systeme, also etwa zum Einpressen von Teilen. Sie werden in der Qualitätssicherung sowie in der Medizintechnik, beispielsweise zur Kontrolle von Gebissen bzw. zur Überwachung der Wirbelsäulenbelastung eingesetzt. Zudem kommen sie bei nachgiebigen Systemen, wie etwa beim Fügen, Entgraten oder Positionieren zum Einsatz.

SCHUNK bietet das komplette Spektrum intelligenter Sensoren

Vom auf zwei Schaltpunkte einstellbaren Magnetschalter MMS über die Funksensorlösung RSS bis zum hochauflösenden Sensorsystem FPS bietet SCHUNK ein individuell auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmtes Sensorprogramm. Mit modernsten Lösungen, wie dem pneumatischen Abfragesystem PA3, dem optischen Sensor ONS für Miniaturgreifer oder dem Kraftmesssystem FMS erschließt SCHUNK immer wieder neue Anwendungsfelder, in denen intelligente Sensoren eine wertvolle Hilfe sein können.

Fazit:

Integrierte Sensorsysteme werden künftig bei Automatisierungslösungen zum Standard gehören. Sie eröffnen mit vergleichsweise niedrigen Investitionen eine Vielzahl von Möglichkeiten, um Fertigungs- und Montageprozesse zu verkürzen und sie noch flexibler und prozesssicherer zu machen.

Besuchen Sie SCHUNK vom 21. bis 24. September 2009 auf der Motek in Stuttgart, Halle 1, Stand 1501.

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