Handhabungstechnik

Der Greifer - ein Schnitt­stellenarbeiter

Die robotische Evolution ist in vollem Gange und einige Technik-Propheten stellen uns da recht erstaunliche Entwicklungen in Aussicht. Im Jahre 2030 soll sich ein Robot die Welt so vorstellen können, wie es ein Affe kann (Wie kann der es eigentlich?). Um das Jahr 2040 rechnen ausgemachte Optimisten mit dem Erreichen der vollen menschlichen Denkfähigkeit, kombiniert mit Vorstellungskraft, Lernfähigkeit, Verhaltenskompetenz und der Verarbeitung komplexer Sinneseindrücke. Die Fußball spielenden Robotmen würden im Jahre 2050 dank künstlicher Intelligenz und mechatronischer Vollkommenheit sogar zum weltmeisterschaftlichen Endspiel antreten. Da verblassen natürlich die heutigen Probleme aus dem Alltag der Automatisierer. Dort gibt es eher profane Aufgaben zu lösen, wie zum Beispiel: Welcher Greifer ist für eine aktuelle Greifaufgabe das richtige Arbeitsorgan? Der Greifer hat die Schnittstelle zwischen den Greifobjekten und einer Handhabungsmaschine zu bewältigen. Vielfalt bei den Objekten in Größe, Masse, Art und Form impliziert gewiss auch Vielfalt bei den Greiforganen und Greifprinzipien, die ja die funktionelle Schnittstelle zum Prozess sind.

Grundprinzip wählen

Die Greifertechnik ist ein unverändert in Gärung befindlicher Bereich. Es gibt viele Ausführungen und Baugrößen, aber immer wieder auch neue Kreationen mit einem interessanten und nützlichen Detail: Integration von bildgebenden und anderen Sensoren, Großflächen-Saugergreifer mit einem Tragrahmen aus Kohlefaser-Verbundstoffen, neuartige Greifprinzipe für kleinste Teile auf der Basis von Haftmitteln und Kapillarkräften, Greifbacken aus Polymerschaum mit Formgedächtniseigenschaften, Antriebe mit miniaturisierten Fluidaktoren, filigrane mechatronische Kunsthände und das ist noch längst nicht alles.

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Für viele heißt aber die Tagesaufgabe zunächst: Wie kann man ein Greifobjekt überhaupt festhalten? Das Bild 1 zeigt die prinzipiellen Möglichkeiten am Beispiel einer Kugel. Verfeinerungen und Ergänzungen sind möglich. Zum Beispiel lassen sich elektrostatische Kräfte und Leistungsschall für die Handhabung kleiner Teile ausnutzen. Wasser wird ebenfalls zum kraftvollen Haftmittel, wenn es gefriert, wie es ja bei Kältegreifern der Fall ist.

Oft werden aber auch Greifer entworfen, um nur eine bestimmte Art von Objekten vorteilhaft greifen zu können. Als Beispiel sei in Bild 2 ein Rahmengreifer gezeigt. Er dient zur Handhabung von Sandkernen mit dem Industrieroboter. Mit pneumatischen Druckelementen wird bei der Entnahme von Kernen eine wohldosierte Spannkraft aufgebracht. Der Kraftfluss im Greifer wird über einen Rahmen geschlossen.

Bewegungsumfang festlegen

Oftmals ist es besser, wenn sich der Blick über das eigentliche Greifen hinaus weitet. Das Ergebnis kann dann eine kinematische Ergänzung um eine oder mehrere Handgelenkachsen sein. Fehlt der verwendeten Handhabungseinrichtung die gewünschte Beweglichkeit am Ende der kinematischen Kette, dann muss sie am Greifer geschaffen werden. In Bild 3 wird das an einem Beispiel gezeigt. Der Reihengreifer hat eine Schwenkachse erhalten. Die erforderlichen Antriebe können pneumatisch sein. Aus dem Werkstück-Trägermagazin wird eine komplette Reihe von Werkstücken entnommen, um 90 Grad geschwenkt und in der Zuführrinne einer automatischen Maschine abgelegt. Die Teile rollen dann bis zum Bereitstellplatz in der Maschine. Die Zuführrinne sollte möglichst kurz sein, damit sich die Teile beim Abrollen nicht seitlich verkanten, weil sie schräg laufen. Der gezeigte Greifer erlaubt den Einsatz einer einfachen modular aufgebauten Handhabungseinrichtung.

Neue Verfahren studieren

Wirklich neue Wirkprinzipe für das Greifen sind selten. Eine echte Bereicherung ist da ein neuer Stückgutgreifer, der das Arbeitsgut allein durch Reibpaarung festhält. Das Prinzip des Greifers wird in Bild 4 gezeigt. Er ist vorzüglich geeignet, um im Verbund dicht an dicht gestapelte Güter aufzunehmen, weil zwei außenliegende Griffflächen am Objekt genügen. Die Haftwirkung ist nur gegeben, wenn die Friktion an zwei rechtwinkligen Flächen gleichzeitig erzeugt wird.

Dabei muss das Greifobjekt kein rechteckiger Körper sein. Das Prinzip funktioniert nicht nur bei quaderförmigen Packstücken, sondern auch bei vielen beliebig geformten Gütern, wie Sackgut, Rohren und selbst kugelförmigen Gegenständen. Aktive Elemente des Greifers sind zwei Riemenförderer mit jeweils mehreren parallel angeordneten Reibriemen, deren Zugkraft jeweils einzeln artikelspezifisch angepasst werden kann. Damit ein hoher Reibbeiwert entsteht, sind die Riemenrücken mit einem entsprechenden Reibbelag beschichtet. Grundsätzlich stellt dieses Greifprinzip eine interessante Basislösung für den Logistikbereich dar, die sich in verschiedenen Richtungen adaptieren lässt.

Positionsfehler ausgleichen

Sind Werkstücke aus eng tolerierten Magazinplätzen zu entnehmen, kann es zur Schonung der Handhabungseinrichtung günstig sein, wenn man sie nicht in eine entgegen der programmierten Position um den Toleranzbetrag Δx versetzte Abgreifposition zwingt. Die Gelenke der Handhabungseinrichtung werden nicht überlastet, wenn sich der Greifer durch eine geringe Beweglichkeit gegen Federkräfte angleichen kann. In der in Bild 5 gezeigten Ausführung ist allerdings ein Ausgleich in nur einer Achse möglich. Verzichtet man auf Prismabacken um das Objekt zu packen, dann ist in der anderen Richtung kein Ausgleich nötig. Ein Versatz um Δy schlägt sich nach dem Greifen als Abweichung zum TCP des Greifers nieder. Eine besondere Arretierung in der Mittelstellung wurde nicht vorgesehen, könnte aber auf einfache Weise (Kugelrastung) hinzugefügt werden.

Kräftefreie Ausgleichselemente für die x-y-Ebene werden von vielen Greiferherstellern als erprobte Standardkomponente für verschiedene Nutzlastbereiche angeboten und müssen heute nicht mehr vom Anwender erdacht werden. So etwas kauft man ein.Stefan Hesse

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