Handhabung

Mit Gefühl geht’s besser

Ein Lebewesen ist nur existenzfähig, wenn es auf Umwelteinflüsse ausreichend reagieren kann. Dazu verfügt es über eine große Anzahl von Rezeptoren der verschiedensten Art.

Bild 1: Zustandserfassung mit Sensor. 1 Greiferfinger, geschlossen, 2 Pneumatikkolben, 3 Schaltfahne, 4 Anwesenheitssensor.

Das sind biologische Strukturen. Technische Rezeptoren werden künstlich hergestellt und man bezeichnet sie als Sensoren. Auch in der Technik steigt die Anzahl von Anwendungen mit Sensoren ständig. Umfassende Automation ist ohne Sensorik überhaupt nicht erreichbar. Die Technik der Sensoren und ihre Applikationen sind greifbarer technischer Fortschritt, der mit einem Höchstmaß an Innovationen und auch an Wachstum verbunden ist. Die Anwendungen durchdringen die Robotik mit samt ihren Teilgebieten wie beispielsweise Greifer und Roboterzellen.

Fingerstellungskontrolle
In den meisten Fällen möchte man wissen, ob ein Greifer seiner Festhaltefunktion gerecht geworden ist. Wenn der Sensor sein JA abgibt, kann der Handhabungszyklus fortgesetzt werden. Bei NEIN muss der Griff wiederholt werden. Zur Realisierung solcher Überwachungsaufgaben enthalten die meisten Greifer einen Sensor, wie es in Bild 1 an einem Beispiel gezeigt wird. Als Fingerantrieb wird übrigens ein einfachwirkender kleiner Pneumatikkolben verwendet. Wenn die Schaltfahne den Sensor abdeckt, dann wird das Schließen der Finger als Erfolg gemeldet. Diese Sensorisierung ist allerdings nur eine einfache Minimalvariante. Es gibt weitaus umfangreichere Ausstattungen bis hin zu Greifkraftsensoren und integrierten Kamerasystemen.

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Bild 2: Sensorisierte Fügehilfe. 1 Roboterflansch, 2 Sensorhalterung, 3 Greifer, 4 Fügeteil, 5 Basisteil, 6 Kraftsensor, 7 Blattfeder.

Fügeachsenausgleich
Bereits in den 1970er Jahren gab es Bemühungen, Greifer für die automatische Montage zu entwickeln, die sich auf die Fügeachse im Montagebasisteil trotz Toleranzen einrichten können. Das Bild 2 zeigt einen solchen sensorisierten Greifer. Die sich kreuzenden Blattfedern, an denen der Klemmgreifer befestigt ist, sind mit Dehnmessstreifen belegt. Beim Versuch des Fügens wird der Achsenversatz gemessen und der Roboter kann danach seine Position korrigieren. Bei einem Fügespiel von 20 Mikrometer wurde der Standardfall in der Montage „Bolzen in Bohrung“ in weniger als drei Sekunden ausgeführt.

Bei der Greifergestaltung nach Bild 3 wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt, um den Greifer mittig zum Basisteil auszurichten. Dazu hat man die Greifbacken des Vierfingergreifers mit Fotoelementen ausgerüstet. Ein ungleicher Lichteinfall an den Sensoren dient als Maß für die Abweichungen von der Mitte. Daraus werden feinschrittige Korrekturbewegungen für die Handhabungseinrichtung nach Richtung und Weg generiert. Das Fügeteil wird dann auf die Mitte des Basisteils ausgerichtet, ehe das Einstecken des Bolzens verkantungsfrei erfolgt. Das kann auch bei fasenlosen Fügeteilen funktionieren. Für diese Teile gibt es auch Lösungen, bei denen man mit einer rotations- und schwingungsunterstützten Toleranzausgleichsbewegung ans Ziel kommt (IPA).

Bild 3: Positionskontrolle mit lichtempfindlichen Sensoren. 1 Fügeteil, 2 Greiferfinger, 3 Fotosensor, 4 Basisteil, 5 Auflagefläche, 6 Lichtquelle.

Will man bei der Handhabung von empfindlichen Kleinteilen die Greifkraft regeln, so muss man diese messen können. Das wird bei Mikrogreifern gewünscht. Prinzipiell existieren zwei Möglichkeiten, die Greifkraft auf einen bestimmten Positionswert zu halten:

  • die Einhaltung eines programmierten Sollwertes und
  • die adaptive Regelung der Greifkraft.
Bild 4: Mikrogreifer mit integriertem Miniatur-Dehnmessstreifen als Kraftsensor. 1 Greifbacke, 2 Dehnmessstreifen, 3 Aktor, F Greifkraft.

In Bild 4 wird ein Mikroklemmgreifer gezeigt, dessen Federfinger dazu mit einem Mikro-Dehnmessstreifen versehen ist. Es sind aber auch andere Wandlungsmechanismen verwendbar, die piezoresistive oder piezoelektrische Effekte ausnutzen. In der Auflösung kann man in den Bereich von einigen zehn Mikronewton kommen. Die Regelung des gesamten Handhabungssystems wird dann mit einem entsprechend konstruierten Kraft- beziehungsweise Positionsrückführsystem realisiert. Kraftrückführung ist eine wichtige Komponente in Mikrohandhabungssystemen, vor allem bei der Manipulation von empfindlichen und zerbrechlichen Strukturen, aber auch um eine Beschädigung des Greifers zu verhindern.

Eine Nummer größer
Eine neue Spezies von Robotern erobert die Fabrikhallen. Es sind Roboter, die für eine direkte Zusammenarbeit mit dem Menschen tauglich und zugelassen sind. Der Mensch. sein Arm oder nur die Hand befinden sich zeitweilig oder ständig im Arbeitsraum des Roboters. Es sind kollaborative Roboter. Da reicht eine Soft-Cover-Oberfläche sicherheitstechnisch allein nicht aus. Es geht auch nicht ohne Risiko. Um das zu senken, muss man Sicherheitssysteme einsetzen. In Bild 5 wird ein System skizziert, welches über dem Arbeitsfeld angebracht ist. Es besteht aus drei Kameras, einem Hochleistungsrechner und einer Sicherheitssteuerung. Es werden ständig Bilder aus dem Beobachtungsraum zur Auswertung bereitgestellt. Der Sichtbereich wird mit etwa 72 Quadratmeter angegeben. Die Erkennung von Objekten hängt grundsätzlich ab von:

  • der Kameraposition,
  • den Lichtverhältnissen,
  • den Reflexionseigenschaften der Objekte und
  • den optischen Eigenschaften der Kamera.
Bild 5: Kamerasystem „Safety Eye“ zur dreidimensionalen Überwachung von Gefahrenbereichen (Pilz). 1 Sensoreinheit, 2 pyramidenförmiger Beobachtungsraum.

Die Überwachung ist im Beispiel dreidimensional – der Betrieb der Roboter erfolgt ohne Schutzzaun. Mit einem Softwaretool kann man Räume als virtuelle Schutz- und Warnräume frei definieren. Das alles war vor einigen Jahren nicht vorstellbar. Jetzt beginnt das Verschmelzen von Robotik auf dem Weg zur Smart Factory. Die intelligente Fabrik ist ein Teil des Zukunftsprojektes INDUSTRIE 4.0.

Dr.-Ing. habil. Stefan Hesse

Literatur
Hesse, S., Schnell, G.: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. 6. Aufl. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden 2014

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