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Greifer

Präziser Griff für die Kleinsten unter den Cobots

| Redakteur: Karin Pfeiffer

Höchst akkurat Greifen, mit hohem Drehmoment und kompletter 360-Grad-Drehung aus dem Cobot-Handgelenk – und das auch noch im Miniformat? Das funktioniert nur mit dem passenden Kleinmotor, hat sich New Scale Robotics gesagt und Maxon für sein Greifer-Projekt gewonnen.

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Fingerspitzengefühl: New Scale Robotics hat den Greifer für präzise Automatisierungsaufgaben entwickelt.
Fingerspitzengefühl: New Scale Robotics hat den Greifer für präzise Automatisierungsaufgaben entwickelt.
(Bild: Maxon)

Mit dem zunehmenden Einsatz von kollaborativen Robotern in der industriellen Produktion ist auch der Bedarf an einer Varianten-Vielfalt bei Greifern und Endeffektoren ganz generell gestiegen. Zu den anspruchsvolleren Anwendungen zählt die automatisierte Ab- und Vermessung kleiner Teile. Ein Gerät dafür muss eine Positionierung mit Auflösungen von bis zu 2,5 µm ermöglichen, die der Software in Automatisierungs-Applikationen ständig zur Verfügung stehen. Darum ging es New Scale Robotics (NSR), einer Division von New Scale Technologies, als sie einen ihrer neuesten Greifer entwickelten und herstellten.

NSR-PG-10-20 heißt der Präzisions-Parallelgreifer für kleinste kollaborative Roboter. Dabei handelt es sich um ein mechatronisches System, bei dem Motor, Sensoren, Präzisionslagerführungen, Antriebs- und Steuerelektronik sowie eingebettete Firmware für die Automatisierung integriert sind. Der NSR-PG-10-20 bietet eine geringe Größe und Masse. Alle Leistungs- und Steuerschaltungen werden durch die Werkzeugaufnahme und die Schleifringe des Roboters geführt, sodass keine externen Kabel oder Elektronikplatinen erforderlich sind.

Greifer schnell an kleine Cobots von UR installieren

NSR entwickelte eine Plug-and-Play-Integration, die sich binnen Minuten in die Serie kleiner Cobots von Universal Robotics (UR) installieren lässt. Bei der Installation wird der Greifer einfach am Werkzeugflansch des UR-Roboters montiert. Dann wird das einzelne Kabel mit dem UR-Werkzeug-E/A-Anschluss verbunden. Bewegungsbefehle werden über die 8-polige Werkzeug-E/A-Schnittstelle des Roboters empfangen. Es sind weder externe Drähte noch separate Elektronik erforderlich. Auf diese Weise kann das Handgelenk des UR-Roboters eine vollständige 360-Grad- oder unendliche Drehung ausführen, ohne dass Kabel die Bewegung behindern. Der Greifer verfügt über einen internen Absolutpositionssensor, der speziell für automatisierte Messanwendungen entwickelt wurde und hohe Präzision zur Handhabung komplexer Kleinteile, Messung, Sortierung und Montage bietet.

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Gleichstrommotor mit bis zu fünf Wicklungstypen

Der NSR-PG-10-20 ist mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor EC-20 Flat (BLDC) von Maxon ausgestattet. Dieser Motor ist mit bis zu fünf Wicklungstypen sowie eingebautem Drehgeber erhältlich. Er ist mit verschiedenen Leistungen verfügbar, robust und leise im Betrieb. Die Motoren wurden in erster Linie wegen ihrer extrem geringen Masse von nur 15 g und ihres hohen kontinuierlichen Drehmoments von 3,75 mNm ausgewählt. Aufgrund des guten Drehmoment-Masse-Verhältnisses dieses Motors kann der NSR-PG-10-20 eine einstellbare Greifkraft von ±3 bis 10 N bei einem moderaten Übersetzungsverhältnis von 16:1 erzielen. Der Greifer wird durch einen symmetrischen Zahnriemen mit einer Weite von 20 mm angetrieben. Außerdem passten Betriebsspannung, -strom und Drehmoment gut zur internen Stromversorgung des Roboters.

Der BLDC-Rotationsmotor treibt ein Untersetzungsgetriebe zu einem Zahnriemen an, der die Rotation in eine lineare Bewegung umwandelt. Ein separater Winkelsensor dient zur Messung des Motorwellenwinkels, während eine separate digitale Elektronik den für den Betrieb des Drehstromantriebs erforderlichen Strom erzeugt. Dieser Mechanismus erzeugt die lineare Bewegung, die zum Öffnen und Schließen der Greiferfinger für das Greifen und Loslassen von Kleinteilen erforderlich ist. Dank des integrierten Sensors beträgt die lineare Auflösung des Greifers zur Vermessung von Teilen 2,5 µm. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Greifers beträgt 20 mm/s und der Öffnungs- und Schließbereich liegt bei 20 mm.

Maxon will Greiferportfolio ausbauen

„Das Schwierige bei der Entwicklung war, die geringe Größe, Höhe und geringe Masse des Greifers beizubehalten und gleichzeitig die Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit geschlossener Regelkreise zu erzielen“, erzählt David Henderson, CEO von NSR. „Es war auch eine Herausforderung, einen Motor mit geringer Leistungs- und Stromaufnahme zu finden, den wir an die interne Stromversorgung des Roboters anschließen konnten.“ Mit dem EC-20 Flat von Maxon gelang es NSR, die für den Präzisionsgreifer erforderliche Leistung. Gleichzeitig ist der Greifer einfach zu installieren und zu bedienen.

Die Suche nach dem richtigen Motor für eine derart spezielle Anwendung ist nicht marginal. Da NSR die neueste Technologie in einem Motor mit geringsten Baumaßen zur Verfügung stand, konnte das Unternehmen die Anforderungen seiner Kunden erfüllen. Der Maxon EC-20 Flat war eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung und Herstellung des Präzisions-Parallelgreifers NSR-PG-10-20.

Die mechanische Integration war das Einfachste von allem, heißt es bei Maxon. Das Unternehmen verwendete einen EC-20 Flat ohne Winkelsensor und lieferte stattdessen einen eigenen externen Winkelsensor für die Kommutierung. „Wir gehen davon aus, dass wir in Zukunft unsere Produktpalette um Greifer mit höheren Greifkräften und entsprechend höheren Massen und stärkeren Motoren, größeren Greifweiten und eingebetteten Kraftsensoren zur Verbesserung der Kraftsteuerung erweitern werden“, erklärt Henderson.

Finger des Greifers lassen sich austauschen

Der Greifer ist zudem mit austauschbaren Fingern ausgestattet. Der NSR-PG wird mit werksseitig installierten Fingern geliefert, sodass die Anwender ihn direkt einsetzen können. Man kann dem Greifer auch Fingerpositionen beibringen, wenn er mit den Robotern UR3, UR5, UR10 sowie der neuesten Produktlinie der E-Series Robots von Universal Robotics verwendet wird. Dazu bringt man die Finger mit der Hand in die gewünschte Position und stellt diese mit dem Programmierhandgerät ein. Mit diesem Verfahren sind die vertraut, der bereits einen UR-Roboter im Teach-Modus eingesetzt hat. Die Position ist mit 0,01 mm Genauigkeit wiederholbar. Indem man die Fingeröffnungs- und Schließpositionen für ein Werkstück des Anwenders einstellt, lässt sich die Fingerbewegung (Takt) bei jedem Vorgang minimieren, was Zeit- und Energieeinsparungen erzielt.

Der Anwender kann sich wiederholende, arbeitsintensive Mess- und Qualitätskontrollaufgaben mit dem NSR-PG-10-20 automatisieren, sodass der UR-Cobot zu einem leistungsfähigen Werkzeug für messtechnische Anwendungen wird. Und das höchst präzise.

SPS 2019: Halle 1, Stand 224

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