Greifen und Bewegen von Objekten

Hinlangen mit technischen Händen

Wie kann man die Hand des Werkers im automatisierten Prozess ersetzen? Die Geschicklichkeit der menschlichen Hand ist nicht zuletzt deshalb so gut, weil sie auftretende Belastungen sofort in ihre Bewegungen einbeziehen kann. Ein technischer Ersatz ist schwierig und vorerst bestenfalls in Einzeleigenschaften möglich. Ein weiteres Handicap: Je stärker Variantenvielfalt und Anforderungen in der Handhabungstechnik ansteigen, desto wichtiger werden Greifer, die spezielle Aufgaben erledigen können. Immer mehr Branchen sehen automatisches Handling als wichtigen Kostenfaktor. Es gärt somit nach wie vor in der Endeffektortechnik, neue Wirkprinzipe werden probiert und bekannte Lösungen weiter verbessert. Einige Gedanken sollen diskutiert werden.

Bild 1: Kräftefreier Positionsfehlerausgleich (nach Sommer automatic). 1 Druckluftanschluss, 2 Handhabungseinrichtung, 3 Parallelbackengreifer, 4 x-y-Ausgleichselement, 5 Greiferbacken, 6 Montageteil, F Greifkraft.

Positionsfehler ausgleichen
Eine Übereinstimmung von Greifer- und Greifobjektachse ist in der Praxis bei programmierten Aktionen nur selten exakt vorhanden, aber beim Montieren, Entnehmen von Teilen aus Spannvorrichtungen und Magazinen erforderlich. Beim Greifen können deshalb Kräfte entstehen, die im Moment des Zupackens den Roboterarm und das Greifobjekt aus ihrer Position zu drängen versuchen. Das ist nicht erwünscht. Deshalb gibt es Greifer, die solche Positionsfehler von selbst ausgleichen können. Die Phasen eines Greifvorganges dieser Art zeigt das Bild 1. Die Darstellung zeigt nur die Bewegung in einer Achse. Der Ausgleich muss natürlich in der x-y-Ebene, pneumatisch gestützt, kräftefrei funktionieren.

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Ein völlig anderer Weg wird beim Versuchsaufbau nach Bild 2 beschrieben. Man hat sich folgende Aufgabe gestellt: Ein Gewindebolzen soll an einer Gewindebohrung anschnäbeln. Bolzen- und Mutterngewinde müssen sich finden. Dazu wird in die Bolzenführung tangential Druckluft abgestrahlt. Der Bolzen kommt in leicht drehende und taumelnde Bewegungen und findet schließlich so den ersten Gewindegang. Positions- und kleine Winkelfehler der Fügepartner werden hierbei ausgeglichen. Das entstehende Drehmoment ist natürlich gering, so dass man das weitere Einschrauben und Festdrehen auf einer nachfolgenden Station erledigen muss.

Die meisten mechanisch wirkenden Greifer zeigen sich als Flexibilitätsengpass beim Robotereinsatz. Verschiedenartige Geometrie der Greifobjekte erfordert oft auch eine Anpassung der Greifbacken. Die negative Kontur des Werkstücks wird in den Greifbacken entweder reversibel oder nichtreversibel abgebildet. Das kann man auf mechanische Weise durch einstellbare Stift- oder Blech-Lamellenfelder erreichen. Mit einem Probegriff erfolgt die Übertragung der Form. Die Bewahrung der übernommenen Form ist durchaus mechanisch aufwendig und unpraktisch, weil viele Einzelteile geklemmt werden müssen. Ein anderer Weg wird in Bild 3 vorgestellt. Genau wie beim vakuumverpackten Kaffee versteift sich ein mit Granulat oder Pulver gefüllter Beutel, wenn Saugluft anliegt. Der Vorgang ist reversibel. Die Form ist leicht und schnell auflösbar. Bei Normaldruck kann man dann eine neue andere Form einprägen und diese dann mit Vakuum wiederum sichern. Für ein Präzisionshandling ist der Greifer funktionsbedingt wohl eher ungeeignet.

Wie viel Greifkraft ist nötig?
Das hängt hauptsächlich von den Bewegungsparametern, von der Masse des Greifobjekts und dem Masseschwerpunkt ab, der sich bekanntlich zwischen den Greifbacken befinden soll. Das alles lässt sich berechnen. Ein Objekt berührungslos "anzupacken" und im Raum zu bewegen, grenzt ans Märchenhafte. Es ist aber möglich. Eines von mehreren physikalischen Verfahren wird in Bild 4 als Wirkprinzip vorgestellt. Auslöser für solche Entwicklungen war die Handhabung äußerst stressempfindlicher Objekte, wie beispielsweise Waferscheiben aus Silizium in der Chipproduktion.

Zum Prinzip: Das Greifobjekt wird mit Vakuum angesaugt und gleichzeitig mit Leistungsschall abgestoßen. Dadurch entsteht zwischen der hohl gebohrten Sonotrode und dem Werkstück ein Zwischenraum, das heißt, das Objekt wird berührungslos in der Schwebe gehalten. Sonotroden sind Bauteile, die durch Einleiten einer hochfrequenten mechanischen Schwingung in Resonanzschwingungen versetzt werden. Sie stellen die schallabstrahlende Fläche dar. Das Verfahren ist inzwischen soweit gereift, dass man solche Greifer käuflich erwerben kann. Die Anwendbarkeit beschränkt sich allerdings auf leichte ebenflächige Gegenstände.

Keine Partikelschleuder
Bei einer Produktion im Reinraum ist die zulässige Partikelanzahl je Volumeneinheit limitiert. Deshalb soll ein dort installiertes Handlinggerät möglichst wenige Partikel absondern. Ein Weg besteht darin, bei der Kinematik auf Linear- und Drehführungen wegen des Gleitkontaktes möglichst zu verzichten. Die notwendigen Bewegungen müssen anders erzeugt werden. In Bild 5 wird ein Handlinggerät mit pneumatischen Aktoren gezeigt, die aus Bourdonschen Röhren bestehen, wie man sie aus Rohrfeder-Manometern kennt. Die Konstruktion der Handhabungseinrichtung enthält somit Materialgelenke, die keine Partikel an die Umgebung absondern. Die Komponenten können außerdem mit einer nicht ausgasenden Oberflächenbeschichtung versehen werden. Auch die ansteuerbaren Greiferfinger besitzen eine solche stoffkohärende Gesamtgreiferstruktur. Wie kommt eine Bewegung überhaupt zustande?

Wie bei den Rohrfeder-Manometern sind die aktiven Röhren oval ausgebildet. Wird ein Innendruck angelegt, dann weitet sich das Element zur Kreisform und erzeugt damit auch eine Bewegung des Armes am Endpunkt. Das passiert unter Druck ebenso bei den Greiferfingern. Die Wanddicke der Rohrfedern hängt vom Innendruck ab, mit dem diese beaufschlagt werden, zum Beispiel von 0,6 bis 6 bar. Die Bewegungen werden über den Druck gesteuert.

Dr.-Ing. habil. Stefan Hesse


Literatur:
Hesse, S.: Greifertechnik - Effektoren für Roboter und Automaten. Carl Hanser Verlag München 2011

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