Handhabungstechnik

Die unendliche Geschichte: Greifer

Sonderkonstruktionen haben Konjunktur

,,Ein Roboter ist die intelligente Verbindung aus Wahrnehmung und Handlung" (M. Brady). Um handeln zu können, braucht der Roboter aber einen Effektor. Er benötigt eine technische Hand, mit der ein Effekt (Halten, Manipulieren, Pressen, Schrauben u.a.) erreichbar ist. Inzwischen hat sich so etwas wie eine ,,Handrobotik" entwickelt, mit dem Ziel, für möglichst viele Roboter weitere Anwendungen zu erschließen. Deshalb entstehen immer wieder neue, mehr oder weniger spezialisierte Greifmittel mit außerdem verbesserten technischen Eigenschaften.

Verklemmte Finger

Bei Parallelbackengreifern müssen die Finger bzw. die Grundbacken geradlinig geführt werden. Dafür werden häufig Gleitführungen eingesetzt, weil sie unempfindlich gegenüber Stößen und auch preiswert sind. Aber es gibt ein Problem: Man darf die Fingerlänge nicht über den zulässigen Bereich hinaus wählen. Ist die Führungslänge groß und der Reibungskoeffizient m (m= tanr) klein, dann dürfen auch die Finger lang sein, ohne in der Führung bei Belastung zu verkanten. Der mechanische Zusammenhang wird in Bild 1 an einer Rundführung gezeigt. Unter Last kommt es zu einer geringfügigen Verkippung. Es ergeben sich Stützpunkte, an denen man den Reibungswinkel r zeichnerisch antragen kann. Der Schieber verklemmt sich (Selbstsperrung), wenn die Wirkungslinie der Greifkraft durch die Überdeckungsfläche (4) der beiden Reibungskegel (3) führt. Der dargestellte Fall wäre demnach zu vermeiden, er führt zum ,,Schubladeneffekt". Die zulässige Fingerlänge hängt somit in erster Näherung vom Reibungskoeffizienten und der Führungslänge ab. Eine großzügig lange und bereitflächige Führung wäre deshalb wünschenswert, führt aber zu klobig-großen Greifern. Um den Reibbeiwert zu senken, kann man z.B. eine Wälzführung vorsehen oder eben doch die Führung etwas verlängern.

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Ein anderer Weg, um die Belastbarkeit einer Führung zu erhöhen, ist die in Bild 2 skizzierte Lösung (aufgeschnitten dargestellt). Es ist eine Vielzahn-Führung, die als Parallelanordnung mehrerer schmaler Prismenführungen gestaltet ist. Sie wurde auch schon bei Spannmitteln erfolgreich verwendet. Die Kräfte verteilen sich hier auf mehrere Führungsflächen. Die Flächenpressung wird dadurch kleiner und der Führungsverschleiß sinkt. Die Präzision des Greifers bleibt deshalb über eine längere Nutzungsdauer erhalten. Diese Lösung wird auch bei 3-Finger-Greifern eingesetzt.

Übermenschliches Greifen

In der Produktion gab es schon immer Greifaufgaben, für die die menschliche Hand zu klein, zu hitzeempfindlich und zu schwach ausgebildet war. Aus diesen Anforderungen heraus sind fürs Halten und Manipulieren von Objekten die jeweils geeigneten Lastaufnahmemittel und Greifer entstanden. Ein Beispiel ist der in Bild 3 dargestellte 6-Finger-Greifer. Basis des pneumatisch angetriebenen Greifers ist ein spezielles Aluminiumprofil für die Finger und den Greiferinnenbereich. Der Greifer realisiert den koaxialen Doppelgriff, was mit einer menschlichen Hand nicht erreichbar ist. Mit drei Fingern wird zunächst der Bolzen gegriffen. Der Greifer fährt dann auf das Ringteil zu, steckt den Bolzen in den Ring und lässt ihn los. Dann schließt sich der Greifer erneut. Jetzt greift er beide Teile und bringt sie zum Montagebasisteil. Die versetzt angeordneten Fingerpaare können allerdings nicht unabhängig voneinander bewegt werden, weil nur ein Antrieb für die Fingermechanik vorhanden ist. Deshalb muss auch ein Fingerpaar mit gefederten Backen ausgestattet sein, um Toleranzen der Greifobjekte ausgleichen zu können. Der Greifer lässt sich noch weiter ausbauen. Erweitert man ihn mit einer im Flansch integrierten Drehdurchführung, so kann er extern angetrieben werden und sich endlos drehen. Damit lassen sich dann gegriffene Teile in ein Montagebasisteil hineinschrauben.

Ein weiteres Beispiel für eine interessante Fingerkinematik: Mit dem in Bild 4 gezeigten Greifer lassen sich 25-kg-Säcke durch einen besonderen Bewegungsablauf besser greifen. Nicht immer ist der für Säcke häufig angewendete Ovalsaugnapf die passende Lösung. Nach dem Ausfahren der weit öffnenden Greiferfinger werden diese zusätzlich zur Schwenkbewegung entlang einer bogenförmigen Bahn verschoben. Es kommt zu einer überlagerten Bewegung. Der Sack wird zunächst formpaarig umschlossen. Zuletzt werden die Finger mehr in der Art des Klemmgriffs zusammengeführt. Das verhindert ein Durchrutschen der Sackware bei variablem Füllungsgrad. Der Antrieb geschieht über Pneumatikzylinder. Der Greifer wird besonders für Palettieraufgaben mit dem Industrieroboter eingesetzt.

Eiskalt angepackt

Industrielles und auch manuelles Handhaben befasst sich immer häufiger auch mit der Manipulation kleinster Objekte. Bei Objektabmessungen kleiner als ein Millimeter wird das Teileverhalten nicht mehr durch Gewichtskräfte dominiert, sondern durch Oberflächenkräfte. Auch das Lösen von Werkstücken vom Greifer kann zum Problem werden. Greifer mit miniaturisierten Klemmbacken mit z.B. Memory-Metall- oder Piezo-Antrieb hat man schon etliche entworfen. Die Klemmkräfte können jedoch empfindliche Werkstücke deformieren. Deshalb ist man an Greifprinzipen interessiert, die Haftkräfte ausnutzen. Winzig kleine und empfindliche Teile kann man z.B. auch durch Ausnutzung von Kapillarkräften (Bild 5a) oder durch Anfrieren (Bild 5b) anpacken. Beim Greifen mit Kapillarwirkung würde man die Grenzflächenspannungen zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper mit berandeter Greiffläche als Haltekraft ausnutzen. Einsatzreif ist der kryotechnische Greifer entwickelt. Er hält die Greifobjekte durch Anfrieren. Eisgreifer, die es für handgeführten Einsatz und automatische Handhabung gibt, sind z.B. in der Uhren- und Schmuckindustrie, der Pharmazie und Medizin, der Halbleitertechnik und allgemein in der Mikromontage einsetzbar. Für das Anfrieren ist eine winzige Wassermenge erforderlich. Manchmal reicht sogar die Umgebungsfeuchtigkeit schon aus. Die Haltekraft ist überraschend groß, viel größer als ein Vakuumsauger entsprechender Größe bzw. Kleinheit. Interessanterweise kann man mit dem Eisgreifer auch biologisches Material beschädigungsfrei anfassen, z.B. beim Extrahieren von Gewebe. Für das Lösen der Objekte vom Greifer wird eine kleine Menge Wärme zugeführt. Die Eisschicht verhindert übrigens eine direkte Berührung mit dem Greifer, was bei heiklen Greifobjekten wichtig sein kann. Stefan Hesse

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