Handhabung

Feinpositionieren – wie geht’s?

Stets treten beim Positionieren eines Greifers relativ zum zu greifenden Teil beziehungsweise des gegriffenen Teils relativ zu seiner Aufnahme (Spannfutter, Werkstückträger, Montagebasisteil) Achsenabweichungen (Posefehler) auf. Zusätzliche Ausgleichbewegungen sind deshalb unvermeidlich.

Bild 1: Fügekopf mit selbsttätigem Achsenausgleich. 1 Kegel mit 15 Grad Neigung, 2 Klemmgreifer, 3 Fügeteil, 4 Basisteil.

Genaupositionierung erreicht man beim Fügen von vorzugsweisen rotationssymmetrischen Teilen mit Fügemechanismen. Das sind Komponenten in der Montageautomatisierung, die beim Einlegen von Werkstücken in Werkstückträger oder Spannvorrichtungen verwendet werden, vor allem aber für das Fügen durch Zusammenstecken von Teilen. So ist es dann möglich, ohne Verkanten und Verklemmen der Teile eine Montage von „Bolzen in Bohrung“ auszuführen. Fügehilfen sind meist zwischen Roboter und Greifer angeordnet oder sie sind in Fügewerkzeugen enthalten. Die Feinposition stellt sich von selbst ein oder sie wird nach einer Sensordatenauswertung durch kleine Korrekturschritte des Roboters oder der Montageeinrichtung erreicht. Fügespiel und Werkstückform sind hierbei die wichtigen Parameter. Lösungen ohne Steuerungsaktionen werden besonders häufig eingesetzt. Eine passiv arbeitende Ausgleichseinrichtung mit Freiheitsgrad sechs wurde von H. McCallion bereits in den 1970er Jahren vorgestellt. Für diese Aufgabe gibt es heute handelsübliche Komponenten, gestuft nach Baugrößen und Belastungen.

Ungesteuerter Achsenausgleich
Ohne jede Sensorik arbeitet der in Bild 1 im Schnitt gezeigte Fügekopf. Bei Nichtübereinstimmung der Achsen von Fügeteil und Montagebasisteil setzt das Fügeteil auf der Einführschräge auf. Dadurch heben sich Greifer und Kegel etwas an. Der Kegel bekommt seitlich etwas Spiel und legt sich infolge der Querschiebekraft an den Hohlkegel an. Er korrigiert damit auf passive Weise seine Achsenlage. Dann erfolgt das Fügen durch Zusammenstecken. Eine ausreichend große Fase muss am Fügeteil vorhanden sein, damit die unverzichtbare Querkraft entstehen kann. Nach der Montage wird der Hubkegel durch die Federkraft wieder in die Ausgangsstellung gebracht.

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Bild 2: Prinzipaufbau eines RCC-Gliedes. F Kraft, M Moment, s Achsenversatz.

Eine Fügehilfe, die man als RCC-Glied bezeichnet (remote center compliance), kompensiert Lateral- und Winkelfehler mit einer mechanischen Struktur, die in eine Verschiebe- und eine Winkelsektion aufgeteilt ist. Der Greifer ist mehrachsig an Blattfedern oder elastomeren Federn befestigt, wie man es in Bild 2 sehen kann. Sensoren werden nicht gebraucht und auch keine extra Aktoren. Der Mechanismus wurde 1976 am Charles Stark Draper Laboratory (USA) entwickelt und ab 1978 in der Montageautomatisierung industriell mit Erfolg eingesetzt. Es lassen sich Posefehler von etwa plus/minus zwei Millimeter und Winkelabweichungen um etwa zwei Grad ausgleichen. Der Trick besteht beim Winkelausgleich darin, dass sich ein ideeller Drehpunkt (am Bolzen nicht vorhandener Festpunkt) an der Stelle A am unteren Ende des Fügeteils einstellt.

Wird die mechanische Struktur ineinander geschachtelt, so erhält man eine Fügehilfe mit platzsparendem Aufbau. Das sind dann auch die handelsüblichen Ausführungen, wie in Bild 3 an einem Beispiel dargestellt. Beim Einsatz von Metallfedern lassen sich in der z-Achse größere Kräfte übertragen als bei Verwendung von elastomeren Federn, die allerdings in verschiedenen Shore-Härtegraden verfügbar sind. Ein integrierter Überlastschutz kann optional ebenfalls eingebaut sein, um Pendelbewegungen der Last (Greifer, Werkstück) zu vermeiden. Ungesteuerte Fügemechanismen sind einfacher, kleiner, leichter und billiger als gesteuerte Fügemechanismen, die es auch gibt.

Bild 3: Fügehilfe mit RCC Aufbau. 1 Flanschplatte, 2 Zwischenring, 3 Feder, 4 Greiferanbauflansch, 5 Roboteranschlussseite.

Gesteuerte Ausgleichsysteme
Erst Messen – dannRegeln, dass ist das wohlbekannte Ritual in der Automatisierungstechnik. So ist dann auch der Greifkopf in Bild 4 mit Sensoren ausgestattet. Der Greifer ist an Blattfedern aufgehängt, auf denen sich Dehnmessstreifen befinden. Sie liefern Daten über die Verformungskräfte beim Versuch des Fügens. Damit wird die Situation beim Zusammenstecken von Bolzen in Bohrung – eine Standardaufgabe widergespiegelt. Aus den Sensordaten aller vier Sensoren lassen sich Weganweisungen für den Roboter generieren, in kleinen Schritten korrigierende Verfahrbewegungen auszuführen, bis Achsengleichheit erreicht ist. Dann erfolgt das Einstecken des Bolzens ohne zu verkanten. Man bezeichnet ein solches System auch als instrumented remote center compliance (IRCC). Der Ausgleich großer Lageabweichungen kann mit Rücksicht auf die wirkenden Kräfte im Allgemeinen nur mit gesteuerten Fügemechanismen erfolgen.

Das Interesse am exakten Feinpositionieren ergibt sich heute aus den immer kleiner werdenden Fügeteilen, die in automatische Fertigungsabläufe einbezogen sind. In Bild 5 werden zwei Verfahren für die Positionierung des Greifers vorgestellt. Zunächst wird der übliche einstufige Ablauf gezeigt. Es wird die programmierte Zielposition angefahren. Eine Korrektur im Ziel gibt es nicht. Die Fügeachsen werden aber meistens nicht ausreichend genau übereinstimmen, besonders wenn der horizontale Bewegungsverlauf über größere Strecken erfolgt ist. Das Bild 5b zeigt dagegen, dass nach dem Erreichen der programmierten Grobposition ein optischer Sensor den wirklich erreichten Positionsfehler ermittelt. Weil eine Feinpositionierachse Bestandteil des Greifkopfes ist, kann nun mit dieser kleinen Lineareinheit eine Korrektur mit Hilfe der Sensordaten veranlasst werden. Damit kann die Grobposition mit großer Geschwindigkeit angefahren werden und fürs Fügen wird letztlich dennoch eine genaue Position, also Achsenübereinstimmung von Füge- und Basisteil, erreicht. Eine genaue Position wird übrigens auch beim Eindrehen einer Schraube in ein Gewinde benötigt.

Stefan Hesse

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