Greifer Vielseitiger und flexibler dank EC-Kleinstantrieben

Von Ellen-Christine Reiff, M.A.*

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Kraftvolle und dynamische Kleinstantriebe in Verbindung mit flexibler Ansteuerung und anwendungsangepasster Getriebeabstufung machen Greifer fit für unterschiedlichste Anwendungen, vom schweren Paket bis hin zum empfindlichen Schlüsselrohling oder Reagenzglas im Labor.

Der dynamische bürstenlose Motor BX4 von Faulhaber passt die Greifkraft an die zu greifenden Teile an.
Der dynamische bürstenlose Motor BX4 von Faulhaber passt die Greifkraft an die zu greifenden Teile an.
(Bild: FAULHABER)

Ähnlich wie die menschliche Hand müssen auch mechanische Pick-and-Place-Greifer eine große Bandbreite an Formen und Gewichten sicher handhaben. Während die Hand vom zentnerschweren Sack bis zum milligrammleichten Uhrenzahnrädchen eine riesige Bandbreite an Lasten abdeckt, ist das bei automatisierten Lösungen bisher ein Wunschtraum. Feinfühlig und präzise, zuverlässig und langlebig, je nach Greifkonzept konnte man bisher nur einzelne Aspekte optimieren ohne andere Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Fokus auf Zuverlässigkeit und wartungsfreien Betrieb

Die wichtigste Komponente dabei sind die Greifer, also die „Schnittstelle“ vom Gegenstand, der erfasst werden soll, zum definierten Wunsch, das Teil an eine bestimmte Stelle zu befördern. Gerade in der Laborautomation sind derzeit durch die millionenfach geforderten Coronatests automatisierte Pick-and-Place-Lösungen bei der Probenanalysen unverzichtbar. Die erforderliche Testkapazität kann nur durch eine kleine Bauweise, zuverlässige Funktion und möglichst wartungsfreien Dauerbetrieb der Greifer erzielt werden. Hier haben sich kleine, bürstenlose Elektromotoren wie der BX4 von Faulhaber bewährt.

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Für automatische Laboranalysen bietet ein vollelektrischer Antrieb einen deutlichen Mehrwert gegenüber herkömmlichen Systemen z.B. mit Druckluftgreifern. Statt einer zusätzlichen Druckluftversorgung mit Schläuchen, Fitting, Filtern usw. für den Greifer kann ein Elektroantrieb einfach über die vorhandene Stromzufuhr mit Kabel und Steckern versorgt werden. Da die hochentwickelten Testgeräte alle mit integrierten Rechnern für die Analyse und Steuerung ausgestattet sind, werden die Motorcontroller einfach in die Analyseumgebung eingebunden.

Im Gegensatz zu Pneumatik-Zylindern können Elektromotoren zudem selbst Daten rückmelden, entweder über eingebaute Sensoren wie Encoder beziehungsweise Hallgeber oder über den gerade anliegenden Arbeitsstrom, der ein Maß für die Kraftentwicklung an der Welle liefert. Die Elektroantriebe und ihre Sensoren bauen kompakt und erfüllen die hygienischen Ansprüche in der Laborumgebung. Dadurch lassen sie sich beispielsweise in Geräte zur Coronatestauswertung ebenso integrieren wie in solche zum Fräsen von Massenprodukten wie Autoschlüsseln.

Buchtipp

Das Buch „Elektromagnetische Verträglichkeit von elektrischen Kleinantrieben“ gibt einen grundlegenden Überblick über die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die aktuell geltenden Rahmenbedingen für die Markteinführung elektrischer Kleinantriebe. Zudem werden die Effekte, Kopplungswege und Prüfverfahren sowohl für die Störaussendung der Energiewandlung als auch für die Störfestigkeit der Sensorik dargestellt. Die Quellen für die unterschiedlichen, von einem Motorcontroller ausgehenden Störgrößen werden benannt und den Effekten zugeordnet. Es folgt die Beschreibung der in der EMV üblichen Maßnahmen.

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Unterschiedliche Formen und Gewichte sicher handhaben

Produktmanager Maik Decker von der badischen Zimmer Group erklärt: „Bis heute wird ein Großteil der Greifer in der Industrie pneumatisch, also mit Druckluft betrieben. Diese Technik ist allerdings für hygienische Umgebungen, wie sie in Laboren, in der Medizin oder in der pharma- und medizintechnischen Industrie gefordert sind, nicht geeignet. Deswegen werden dort Greifer mit Elektroantrieb verwendet.“

Nicht nur bei der Laborautomation gibt es neben der Hygieneanforderung auch die Forderung nach einer großen Bandbreite, sowohl was das handhabbare Gewicht angeht als auch die unterschiedlichen Formen und Materialien.

Zu den Vorteilen des elektrischen Antriebs gehört, dass sich die Greifkraft jederzeit an verschiedene Objekte anpasst.

Volker Kimmig, Teamleiter Software bei der Zimmer Group

Manipulieren stammt aus dem lateinischen manus (hand) und plere (füllen) also etwas in der Hand haben oder etwas handhaben. Für automatische Manipulatoren ist die Fähigkeit der menschlichen Hand auch heute noch unerreicht. Die modernen Greifer der Badener kommen dem Ziel jedoch sehr nahe. Durch die Zusammenarbeit mit dem Kleinantriebsspezialisten Faulhaber kann die neue Greiferserie GEP2000 je nach Ausführung nicht nur bis zu 5 kg schwere Komponenten greifen, sondern durch den sehr dynamischen bürstenlosen Motor BX4 auch sehr feinfühlig filigrane Teile wie zerbrechliche Reagenz- und Proberöhrchen umsetzen.

Im laufenden Betrieb zwischen Teilen wechseln

„Zu den Vorteilen des elektrischen Antriebs gehört, dass sich die Greifkraft jederzeit an verschiedene Objekte anpasst“, führt Volker Kimmig, Teamleiter Software bei der Zimmer Group dazu aus. „Mit einer entsprechenden Steuerung kann der Greifer so im laufenden Betrieb zwischen zwei unterschiedlichen Teilen wechseln.“ Die Greifer sind also flexibel einsetzbar. Aus diesem Grund geht nicht nur in der Laborautomation der Trend zum elektrischen Antrieb. sondern auch in anderen Branchen wie der Automobilindustrie. In beiden Branchen sind zusätzlich hohe Durchsätze rund um die Uhr bei kurzen Zykluszeiten gefragt, um die erforderlichen Stückzahlen zu erreichen.

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Durch den praktisch verschleißfreien bürstenlosen Antrieb in vierpoliger Ausführung ist ein zuverlässiger Betrieb über eine hohe Zyklenzahl sichergestellt. „Wir garantieren für diesen Greifer, dass er über 10 Millionen Zyklen ohne Wartung auskommt“, ergänzt Volker Kimming. „Das geht natürlich nur mit einem qualitativ hochwertigen Motor.“

Bei der Fertigung von Autoschlüsseln zählt jede Sekunde

Ein Paradebeispiel für anspruchsvolle Pick-and-Place-Anwendungen ist die Fertigung von Autoschlüsseln. Hier zählt aufgrund der hohen Stückzahlen jede Sekunde, wie der Entwicklungsingenieur weiß: „Die Greifroboter arbeiten mit kurzen Zykluszeiten. Der Greifer-Motor muss also in kurzen Abständen hochfahren und gleich wieder stoppen. Dabei kommt es ganz entscheidend auf seine Beschleunigung an, denn für den Gesamtprozess zählt hier jede Zehntelsekunde. Zudem muss die Antriebslösung die bei einem solchen Betrieb entstehende Wärme gut ableiten, damit eine Überhitzung ausgeschlossen ist.“

Je nach Einsatzszenario muss selbst bei einem noch so zuverlässigen Motor die Sicherheit bei Störungen z.B. durch Stromausfall gewährleistet sein. Die Greiferentwickler setzen dafür auf ein selbsthemmendes Getriebe. Die Motorkraft wird dazu von einem Schneckengetriebe mit steiler Steigung auf die Greiferbacken übertragen. Auch bei einem Stromausfall bleibt so die Greifkraft und die jeweilige Position erhalten und das Werkstück wird durch diese mechanische Selbsthemmung sicher gehalten. Weitere sicherheitstechnische Vorrichtungen wie Bremsen sind daher nicht nötig.

Großhubgreifer deckte eine große Bandbreite an Werkstücken ab

Zimmer hat mit dem Kleinteilegreifer GEP2000 bereits die zweite Generation mit flexiblem Elektroantrieb im Angebot. Der Vorgänger GEH6000 arbeitet als sogenannter Großhubgreifer nach dem gleichen Prinzip, ebenfalls mit einem BX4-Motor, allerdings mit bis zu 80 mm Hub zwischen offener und geschlossener Position der Backen. So kann er eine größere Bandbreite an Werkstücken im Arbeitsprozess abdecken. Die kleinere Variante übernimmt dafür die Arbeit unter beengten Verhältnissen, sie arbeitet mit bis zu 16 mm Hub.

Die Steuerung der beiden Greifer-Typen ist den Anforderungen entsprechend unterschiedlich. Während die größere Variante Encoder-Signale des Antriebs für die Backenpositionierung nutzt, arbeitet der Kleinteilegreifer mit einem separaten Positionssensor. Beide Lösungen garantieren eine sehr große Wiederholgenauigkeit von ± 0,02 mm.

Mit IO-Link oder mit digitalen I/O verfügbar

Volker Kimmig erklärt die Vorteile an einem Beispiel: „Bei sehr beengten Verhältnissen ist es essentiell, die Vorpositionierung des Greifers zum Eintauchen in das Zielobjekt exakt einzuhalten. Oft ist nämlich die offene Position des Greifers kaum größer als die geschlossenen und selbst kleinere Abweichungen führen zum Fehlgriff. Selbst beim „Rangieren“ eines Roboterarms in komplexen Umgebungen können sehr präzise Voreinstellungen notwendig sein. Das schaffen wir zum einen mit präziser Elektromechanik, bei der der Motor eine große Rolle spielt. Wichtig ist aber auch eine flexible Datenanbindung. Die Greifer können daher mit IO-Link oder mit digitalen I/O ausgestattet werden.“

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Die Antriebsspezialisten aus Schönaich

Faulhaber ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke Faulhaber gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern Außendurchmesser umfasst das Faulhaber Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

Der Elektroantrieb für Greifer ermöglicht damit eine flexible Anbindung an die jeweilige Anwendung, kann im laufenden Betrieb sowohl kraftvoll als auch feinfühlig zupacken und sehr präzise positionieren. Der praktisch verschleißfreie Betrieb erlaubt zudem einen Dreischichtbetrieb über lange Zeit ohne Wartungsunterbrechungen und zumindest dabei ist der Greifer mit EC-Motor damit seinem biologischen Vorbild schon heute überlegen.

* Ellen-Christine Reiff, M.A., Fachjournalistin beim Redaktionsbüro Stutensee

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