Greifer mit Zusatznutzen

Sensoren erweitern die Potenziale von Greifsystemen

(PresseBox) ( Lauffen/Neckar, )
Die Zahlen sprechen für sich: Mehrere Tausend Sensoren hat der Kompetenzführer für Spanntechnik und Greifsysteme SCHUNK allein im vergangenen Jahr für den Einsatz in Handhabungsapplikationen verkauft. Während früher meist nur der Zustand des Aktors abgefragt wurde, verwandeln moderne Sensoren die Greifer in intelligente Helfer, die zugleich messen, prüfen, sortieren und den gesamten Prozess beschleunigen. Wie groß die Effizienzpotenziale sind, zeigt ein Überblick über die aktuellen Sensorsysteme für die Handhabung.

Moderne Sensoren für Greifsysteme folgen klaren Trends: Sie werden kompakter, verschmelzen immer häufiger mit dem Aktor, lassen sich immer einfacher bedienen und sind zunehmend standardisiert. So bietet SCHUNK innerhalb seines Greiferbaukastens bereits heute ein umfassendes, standardisiertes Sensorprogramm, das abgestimmt auf die individuellen Anforderungen und Einsatzumgebungen unzählige Möglichkeiten zur Abfrage und Auswertung erschließt.

Greiferposition abfragen

Blickt man in die noch junge Historie der Greifersensorik, ist die Abfrage des Greiferzustands die wohl grundlegendste Funktion. Dabei sind zwei Zustände entscheidend: "offen" und "geschlossen". Heute wird diese Abfrage mehr und mehr zum Standard. Aus fehleranfälligen Sensorlösungen von einst sind mittlerweile ausgereifte und prozesssicher arbeitende Sensoren geworden. So halten moderne induktive Näherungsschalter Vibrationen, Staub und Wasser spielend stand. 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, die Änderung wird erkannt und der Sensor schaltet berührungslos. Moderne Magnetschalter, wie der MMS von SCHUNK, gehen noch einen Schritt weiter: Sie lassen sich komplett in den Greifer integrieren und fragen im Innern die Position des Kolbens ab. Sowohl induktive Näherungsschalter als auch Magnetschalter sind inzwischen weit verbreitet.

Kabellose Abfrage bringt Vorteile

Je nach Umgebung und Anwendung können die Kabel solcher Sensoren allerdings auch zu einem K.-o.-Kriterium werden. So erweist sich beispielsweise bei modernen, hochdynamischen Bearbeitungszentren die Kabelführung mehr und mehr als Problem. Kabelstörungen gelten als eine der häufigsten Ursachen für Anlagenstörungen. Die Fehlersuche ist aufwändig und zeitintensiv. Für Bearbeitungszentren, Dreh- oder Schleifmaschinen sowie für beengte Handhabungsapplikationen empfiehlt sich daher der Einsatz einer kabellosen Funk-Sensorik. Bei Systemen, wie dem RSS von SCHUNK, überwachen Sensoren 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 beschränkt haltbarer Schleifringe für Rotationsachsen umgehen Funk-Sensoren sämtliche mechanischen Hürden. Sie lassen sich schnell und einfach in Betrieb nehmen, verhindern Kabelschäden und erhöhen die Prozesssicherheit der gesamten Anlage.

Positionssensoren für anspruchsvolle Umgebungen

Auch unter widrigen Bedingungen stoßen induktive Näherungsschalter und Magnetschalter an Grenzen. So sind konventionelle Sensorsysteme bei hohen Temperaturen, aggressiven Flüssigkeiten, extremen Mengen heißer Späne oder Kühlschmiermittel schnell überfordert. In solchen Fällen oder wenn zum Schutz vor Explosionen keine elektrischen Bauteile zulässig sind, ermöglicht das fluidisches Abfragesystem PA3 des innovativen Familienunternehmens eine präzise und zuverlässige Aussage über die aktuelle Greiferposition bzw. den Prozessstatus. Der Aktor wird dafür lediglich mit zwei zusätzlichen Pneumatikanschlüssen 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 elektrische Sensoren oder zusätzliche Kabel.

Auch bei miniaturisierten Greifmodulen ist die Positionsabfrage mit herkömmlichen Sensoren kaum möglich. Für Abhilfe sorgen dann entweder Kamerasysteme oder optische Sensoren, wie etwa das optischen Sensorsystem ONS von SCHUNK. Sie senden über einen Lichtwellenleiter Licht aus und erkennen anhand des reflektierten Lichts den Abstand zur Reflexionsfläche und die Positionen der Greiferbacken.

Teile beim Greifen unterscheiden

Einen Schritt weiter gehen Sensoren, die zusätzlich zur Greiferposition auch eine Aussage über das gegriffene Teil ermöglichen. So lässt sich beim universell einsetzbaren, programmierbaren Magnetschalter MMS 22-PI1 von SCHUNK der Ausschaltpunkt individuell definieren. Eine einstellbare Hysterese ermöglicht selbst bei sehr kleinen Hüben eine sichere Positionsabfrage und lässt den Greifers unterschiedlich große Werkstücke unterscheiden. Der gesamte Greifprozess kann damit besser ausgewertet und die Prozessstabilität spürbar optimiert werden. Weil moderne Magnetschalter individuell programmierbar sind, ersetzen sie eine Vielzahl konventioneller Varianten. Mit einem Teachwerkzeug lässt sich der Schaltpunkt innerhalb kürzester Zeit programmieren. So sparen Anwender bis zu 90 % der Einrichtzeit. Bei der jüngsten Magnetschalter-Generation MMS-P 22 können statt einem nun auch zwei Schaltpunkte zuverlässig erkannt werden. Zudem lassen sich die Ausschaltpunkte programmieren, was wiederum der Prozessstabilität zugute kommt.

Noch feiner arbeiten flexible Positionssensoren FPS, die zwischen drei und fünf unabhängige Schaltpunkte ermöglichen. Sie ermitteln die Position der Greiferbacken und geben digital aus, in welchem von fünf vordefinierten Positionsbereichen sich die Backen befinden. Mit ihnen kann der Greifer parallel zur Handhabung auch zum Prüfen, Sortieren oder für eine durchgängige Qualitätskontrolle eingesetzt werden.

Beim Greifen µ-genaue vermessen

Die Spitzenklasse der Positioniersensoren bilden hochauflösende, analoge Sensoren. So macht der APS von SCHUNK aus Greifmodulen zugleich eine Präzisionsmessstationen machen. Das mechanische, analoge System aus Sensor und Elektronik erfasst dabei hochgenau die Position der Greiferbacken. Bei langhubigen Bewegungen wird die Bewegung über eine schiefe Ebene an den Sensor übergeben, dessen Messweg zwar nur wenige Millimeter lang, dafür aber extrem hoch aufgelöst ist. Mit einer beeindruckenden Präzision von bis zu 0,003 mm vermisst der Aktor im laufenden Prozess jedes einzelne gegriffene Teil. Über die SPS lassen sich beliebig viele Schaltpunkte definieren und damit beliebig viele Teile bzw. Toleranzbereiche unterscheiden. Hochauflösende Positioniersensoren ermöglichen eine 100-prozentige, hochpräzise Teilekontrolle. Sie können eine komplette Messstation inklusive der für die Vermessung notwendigen Prozessschritte ersetzen. Modernste Varianten lassen sich auch hier berührungslos programmieren.

Abstände erkennen

Wer die Entfernung des Greifers zum Teil erfassen möchte, kann dazu entweder aufwändige Vision-Systeme einsetzen oder die Aufgabe einem optischen Abstandssensor anvertrauen. Der OAS von SCHUNK macht aus Greifmodulen im Handumdrehen sehende Greifer. Dazu wird er unmittelbar ins Greiferzentrum integriert. Von dort versorgt er die Steuerung kontinuierlich mit Informationen, wie weit ein Teil entfernt ist, beziehungsweise ob sich ein zu greifendes Teil zwischen den Greiferfingern befindet. Dazu misst der Sensor den Abstand des Greifers zum Teil. Dies geschieht im laufenden Prozess ohne jeglichen Zeitverlust. Mit Hilfe des Sensors können Greifer Teile unterscheiden, ihre Lage erkennen, "on the fly" vom laufenden Band aufnehmen, abstapeln, falsch gegriffene Teile detektieren und die Zuverlässigkeit beim Verfahren des Greifers erhöhen.

Der optische Abstandssensor von SCHUNK arbeitet mit Infrarotlicht in einer Wellenlänge von 850 nm. Er funktioniert bei Umgebungstemperaturen zwischen - 10° C und + 55° C und erfüllt Schutzart IP65. Das Sensormodul ist ausgesprochen vielseitig verwendbar und kann auch mit anderen Greifern und Automationsmodulen eingesetzt werden. So lässt es sich zur analogen Positionsabfrage von Großhubgreifern nutzen, indem es in eine der beiden Grundbacken integriert wird. Bei Greifern und Schwenkeinheiten kann es statt nach außen auch ins Innere gerichtet und zur Abfrage des Kolbens genutzt werden.

Ausgeglichene Greifkraft schont das komplette System

Während die bisher vorgestellten Sensorsysteme die jeweilige Position des Aktors erfassen, messen Kraftmesssystem, wie das FMS von SCHUNK, die Kräfte, die über sie fließen. Dazu werden die Greiferfinger mit Kraftmessbacken ausgestattet und 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 unnötigen 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 an Präzision verlieren und deutlich schneller verschleißen als bei einem kraftkontrollierten Zugriff.

Zudem lässt sich mit Kraftmessbacken sowohl die statische als auch die dynamische Greifkraft präzise einstellen und überwachen. So ist sichergestellt, dass Bauteile selbst bei hochdynamischen Bewegungen sicher gegriffen bleiben. 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.

Besonders feinfühlig werden Automatisierungskomponenten sowie Mess- und Prüfeinrichtungen in Kombination mit Kraft-Momenten-Sensoren. So ermittelt der FTC von SCHUNK präzise, welche Kräfte und Momente in allen sechs Achsen wirken. Damit lassen sich Positionsungenauigkeiten von Werkstücken oder Werkzeugen ausgleichen, Arbeiten an bewegten Werkstücken ausführen und Werkzeuge, Werkstücke und Automatisierungssysteme 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.

Die Königsklasse: Taktile Sensoren

Noch anspruchsvoller arbeiten taktile Sensoren, die Königsklasse moderner Sensoren in der Handhabung. Mit ihnen lässt sich ortsaufgelöst sowohl die Greifkraft als auch die Greiffläche abfragen. So ist es möglich, Objekte zu identifizieren, um sie zugleich feinfühlig zu greifen. Auch fragile Teile mit unterschiedlichen Geometrien lassen sich mit Hilfe taktiler Sensoren zuverlässig und sicher handhaben. Zudem ist es möglich, wechselnde Objekte zu positionieren und beispielsweise anschließend zu fügen. Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten gehen Experten davon aus, dass taktile Sensoren künftig in der Servicerobotik eine immer große Rolle spielen werden. Sie machen Greifhände zu feinfühligen Helfern, die auch in komplexen und ungeordneten Umgebungen wirkungsvoll eingesetzt werden können.

Fazit:

Die aktuelle Entwicklung zeigt, dass Sensoren bei Handhabungssystemen zuneh-mend 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. Kinderkrankheiten, wie eine mangelnde Prozessstabilität, sind längst auskuriert. Inzwischen sind Sensoren zu einem wichtigen Schlüssel für hocheffiziente Handhabungsprozesse geworden.
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