Vakuumhandhabung

Ein Testparcours für Sauggreifer

Energieeffiziente Vakuumhandhabung. Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig entwickelt Greiftechnik und Prozessstrategien für eine gesteigerte Energieeffizienz in der Vakuumhandhabung.

In einem automatisierten Prüfverfahren werden Sauggreifer in Kombination mit repräsentativen Prüfobjekten charakterisiert, um daraus Erkenntnisse für die System- und Prozessplanung zu gewinnen. © TU Braunschweig, IWF

Vakuumhandhabung wird in großem Umfang für die automatisierte Teilehandhabung in Fertigungs- und Produktionssystemen, insbesondere im Automobilbereich und für Verpackungsaufgaben eingesetzt. Erfahrungsgemäß werden etwa 20 Prozent der industriell erzeugten Druckluft – diese ist nachweislich für wenigstens zehn Prozent des gesamten elektrischen industriellen Energieverbrauchs in der Europäischen Union verantwortlich – zur Vakuumerzeugung für robotergestützte Handhabungsaufgaben in der Produktion genutzt. Für industrielle Großserien-Handhabungsanwendungen wird die druckluftbasierte Vakuumerzeugung aufgrund des schnellen und verschleißfreien Betriebs und der direkten Integrierbarkeit in Greifsysteme typischerweise durch Ejektoren realisiert. Im Hinblick auf typische Wirkungsgrade von Luftkompression und pneumatischer Vakuumerzeugung ist letztlich nur ein Bruchteil der ursprünglich investierten elektrischen Energie für den vakuumbasierten Handhabungsprozess nutzbar, sodass bereits eine geringfügige prozessseitige Energieeinsparung zu einer erheblichen Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie führen kann. Das Ziel des IWF im BMWi-geförderten Forschungsprojekt BiVaS ist es, mittels intelligenter Betriebsstrategien eine signifikante Steigerung der Energieeffizienz von Vakuumhandhabungsprozessen zu erreichen.

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Die Fähigkeit industrieller Sauggreifer, sich komplexen Oberflächen anzuschmiegen und sowohl die zur Generierung der Saugkraft erforderliche Abdichtung als auch die Kraftübertragung infolge von äußeren Belastungen bereitzustellen, ist bisher kaum untersucht. Dem fehlenden Detailwissen über die mechanischen Vorgänge bei der Evakuierung der Sauggreifer und bei äußerer Belastung wird in der Regel mit Sicherheitsfaktoren Rechnung getragen, die bei der System- und Prozessauslegung angewendet werden. Mit der Verwendung von Sicherheitsfaktoren werden jedoch sowohl das Vakuumerzeugungssystem als auch das Greifsystem stark überdimensioniert.

Infolge einer axialen Belastung zeigt sich je nach Sauggreifer-Modell eine radiale Einschnürung und damit ein Verlust der effektiven Saugfläche. © TU Braunschweig, IWF

Vergleichbarkeit durch automatisiertes Prüfverfahren
Um die Notwendigkeit der Überdimensionierung eliminieren zu können, wurde am IWF ein automatisiertes Prüfverfahren entwickelt, welches die Performance beliebiger Sauggreifer anhand von definierten Prüfobjekten und Belastungsfällen sichtbar macht. Die Prüfobjekte unterscheiden sich nicht nur in ihrer Geometrie – hierfür wurden konvexe und konkave primitive Geometrien wie Zylinder, Pyramiden oder abgerundete Kanten parametrisiert und in unterschiedlichen Ausprägungen gefertigt. Auch Material und Oberflächenrauheit werden variiert, um einen möglichst hohen Informationsgehalt der Prüfversuche zu ermöglichen. In diesem „Greiferparcours“, einem vollautomatischen robotergestützten Prozess, werden die Prüfzyklen zentral durch eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgelöst. Eine 6D-Kraft-Momenten-Messdose nimmt die relevanten Belastungen am Sauger auf und speichert neben diesen Messwerten ebenfalls die anliegende Druckdifferenz sowie Druckluft- und Vakuumvolumenstrom. Dank der Vollautomatisierung lässt sich in kurzer Zeit und mit geringem manuellem Aufwand eine Vielzahl unterschiedlicher Sauger und Belastungsfälle mit der erforderlichen statistischen Absicherung prüfen. So sind für zukünftige Untersuchungen auch Dauerversuche geplant, um zu ermitteln, ob neu hergestellte Sauggreifer einer anfänglichen Konditionierung unterliegen und ab welcher Zyklenzahl sich kein reproduzierbares Verhalten mehr feststellen lässt.

Nutzung der Ergebnisse für die Prozessplanung
Mit Kenntnis der Fähigkeiten und Limitierungen der charakterisierten Sauggreifer lassen sich neue Auslegungsmethoden für die Greifsystem- und Prozessplanung entwickeln. Dies beginnt schon bei der Positionierung der Einzelsauggreifer auf dem zu handhabenden Werkstück. Während bisher eine adäquate Massenverteilung und das Greifen möglichst ebener Oberflächen die Maßgabe waren, ist es nun möglich, basierend auf belastbaren Versuchsergebnissen nachzuweisen, dass möglicherweise eine gekrümmte Oberfläche eine vorteilhaftere Kraftübertragung für den spezifischen Anwendungsfall bietet, als eine ebene Fläche. Denkt man diesen Gedanken noch weiter, lassen sich diese Erkenntnisse im Sinne des Design for Handling (DfH) auch auf die Bauteilgestaltung übertragen und gezielt Elemente in das Bauteil einbringen, die eine effizientere Handhabung ermöglichen. Auch die Trajektorienplanung für die Roboterbewegung kann mit den Erkenntnissen aus dem Greiferparcours durch neue Randbedingungen erweitert werden. So kann der Prozessplaner konservative Sicherheitsfaktoren signifikant reduzieren, indem die Trajektorie entsprechend der maximal zulässigen Belastungen für die anwendungsspezifischen Kombinationen aus Sauggreifer und Bauteiloberflächengeometrie optimiert wird.

F. Gabriel/as


Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) © MHI e.V.

Kurz erklärt: Der MHI e.V.
Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren - Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber - aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: www.wgmhi.de.


Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig. © IWF

Kurz erklärt: Das IWF
Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig wird gemeinschaftlich von Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder und Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann geleitet. Die Professur „Fertigungstechnologien & Prozessautomatisierung“ von Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder fokussiert technologische und automatisierungstechnische Fragestellungen entlang aktueller und zukünftiger Fertigungsprozessketten. Die Schwerpunkte zielen auf die Umsetzung zukünftiger Fertigungsstrategien, die eine stückzahl- und variantenflexible Fertigung funktionalisierter Produkte mit höchster Effizienz ermöglichen. Die Forschungsgebiete erstrecken sich von der Montage und Fertigungsautomatisierung über die Be- und Verarbeitung von metallischen Werkstoffen, Holz- und Verbundwerkstoffen bis hin zu neuen Fertigungstechnologien für die integrierte Herstellung werkstoffhybrider Funktionsstrukturen. Hierbei werden auch neuartige Werkzeugkonzepte und -technologien betrachtet.

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