Pneumatik bedeutet bei Robotern: Spezialaufgaben oder Vakuum

Auch wenn pneumatische Komponenten in der allgemeinen Automatisierung weiter wichtig sind, geht der Trend vor allem in der Robotik eindeutig in Richtung Mechatronik. Nicht nur bei den Manipulatoren, den Roboterarmen selbst, sondern auch bei den End of Arm Tools, vor allem den Greifern. Wichtig für Industrie 4.0, also die digitale Transformation der industriellen Produktion, ist ein vernetztes Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten vor allem beim Handling und in der Montage. Mit dem Einzug von Elektronik direkt in die Greifer kann man auch auf deren Daten zurückgreifen, sie aggregieren und auf individuelle Prozesse anwenden. Hinzu kommt: Der Einsatz von Greifern in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist erst mit komplexer Sensorik samt intelligenter Auswerteelektronik sinnvoll zu bewerk­stelligen.

Dem tragen auch die großen Hersteller von Handlingsystemen Rechnung: Schmalz hat in der klassischen Drucklufttechnik Venturi-Greifer, geht aber ebenso den Weg zu mechatronischen Systemen mit elektrischen Antrieben und elektrischer Vakuumerzeugung. „Uns geht es bei den mechatronischen Systemen weniger um die Energieeinsparung, sondern darum, Greifer intelligenter und mobiler für den Einsatz in der kollaborativen Robotik zu machen“, erklärt Walter Dunkmann, Leiter des Geschäftsbereichs Automation bei Schmalz. „Wir sehen hier keinen Verdrängungswettbewerb, sondern eine Koexistenz der Systeme und bauen nach wie vor pneumatisch aktivierte Greifer und Endeffektoren.“

Ein weiterer Trend sei der Wechsel auf die 24-V-Versorgungsspannung. Das reduziere die Verkabelung gegenüber elektrisch angetriebenen Aktoren im Spannungsbereich über 400 Volt und die Investitionskosten für die Gleichstrom-Module. Schon vorhandene pneumatische Module lassen sich einfach und steuerungsneutral durch 24V-Module ersetzen und über IO-Link verbinden. Dieses Kommunikationssystem wurde direkt zur Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren geschaffen. Es bietet mit der IO Device Description (IODD) die Möglichkeit, gerätespezifische Parameter für jedes einzelne Gerät zu hinterlegen.

Walter Dunkmann von Schmalz erläutert: „Für den Befehl ‚Greife dieses Bauteil!‘ braucht der Anwender nicht mehr vorzugeben, mit welchem Unterdruck, mit welcher Haltekraft und mit welchem Volumenstrom der Griff zu erfolgen hat, das macht das Gerät intrinsisch. Damit haben wir schon einen Teil der Intelligenz in den Endeffektor integriert.“
Dabei helfe die Digitalisierung, die Komponenten und Systeme wirtschaftlich zu integrieren und die Endeffektoren einfacher und interaktiver zu gestalten. „Mit intelligenten Greifern und der Integration ihrer Daten in den Gesamtprozess können die Endeffektoren schon beim Greifen von Werkstücken Zustände erfassen und sie an übergeordnete Steuerungen weiterleiten. Dabei sorgt der sichere Griff dafür, Verfügbarkeit und Performance so zu steigern, dass der Prozess sicher abläuft“, so Dunkmann weiter.

Auch Zimmer setzt auf IO-Link. Die Zimmer Group bietet nach eigenen Angaben das größte Spektrum an IO-Link-Greifern. Allerdings beschränkt sich das Unternehmen nicht nur auf elektrisch angetriebene Greifer, sondern verleiht auch pneumatischen Greifern mit integrierter Ventiltechnik und Positionserkennung eine entsprechende Intelligenz. „Mit der One-Kabel-Technik wird nur eine Leitung für Stromversorgung und Datentransfer benötigt und ein zusätzlicher Controller überflüssig, da Ansteuerung und Auswertung im Greifer selbst erfolgen. Diese integrierte Intelligenz ermöglicht es unter anderem, die Greiferbacken zu positionieren, ihre Verfahrgeschwindigkeit anzupassen oder Greifkräfte den verschiedenen Werkstücken zuzuordnen, um höchste Prozesssicherheit zu gewährleisten“, erklärt Michael Fraede, Senior Vice President der Zimmer Group.

Die Firma Schunk wiederum konzentriert sich nach eigenen Angaben bei der Mechatronik zunächst auf das Wesentliche, um die Hemmschwelle der Anwender für den Einsatz mechatronischer Module zu senken. Darüber hinaus entwickelt das Unternehmen Greifer, die sich als zusätzliche Achse direkt interpolieren lassen, mit dem gleichen Befehlssatz wie der übergeordnete Roboter. Dies hat den Vorteil, dass man die Eigenschaften der Anlagensteuerung hinsichtlich Programmierung, Safety und Interoperabilität nutzen kann.

Doch die Vision von Schunk geht weiter: „Wir gehen davon aus, dass sich das industrielle Greifen grundlegend verändern wird“, erklärt Prof. Markus Glück, Geschäftsführer Forschung & Entwicklung bei Schunk. „In einigen Jahren werden wir dem Roboter nur noch mitteilen, wo ungefähr ein Werkstück liegt und die Information mit dem Bild des digitalen Zwillings verknüpfen. Der Greifer wird Kollisionen vermeiden, er weiß, wie Werkstücke zu greifen sind und im Zusammenspiel mit dem übergeordneten Handhabungssystem kann er die Greifstrategie entwickeln.“

Mit der Co-act-Produktlinie bietet Schunk bereits heute DGUV-zertifizierte Greifer, die ein schutzzaunloses und sicheres gemeinsames Wirken von Mensch und allen gängigen Assistenzrobotern ermöglichen. Die im Co-act-JL1-Greifer verbaute Sensorik etwa registriert Annäherungen von Menschen und ermöglicht eine situationsabhängige Reaktion, ohne dass Mensch und Roboter sich berühren.

Sie ist in drei Zonen aufgeteilt: Jeder Finger für sich sowie das Gehäuse bilden jeweils eine eigene Zone und detektieren unabhängig voneinander Annäherungen des Menschen. So ist es möglich, zum Beispiel über das sukzessive Auslösen der Sensorik in den beiden Fingern die Richtung der Annäherung zu ermitteln und daraus unmittelbar eine Ausweichbewegung des Roboters abzuleiten. Über die in den Greifer integrierte, frei programmierbare Steuerung können die Reaktionen vorverarbeitet und als Signal an die SPS geschickt werden.

So erhält diese beispielsweise den Befehl, die Geschwindigkeit um 25, 50 oder 75 Prozent zu reduzieren oder stehenzubleiben. Auch eine zuvor definierte Ausweichstrategie ist möglich, wenn klar ist, aus welcher Richtung die Annäherung erfolgt. Die einzelnen Reaktionsmechanismen lassen sich individuell definieren und auf die jeweilige Anwendung abstimmen.

Sensorik wird also wichtiger, nicht nur um kollaborierende Roboter mit Menschen zusammenarbeiten zu lassen, sondern sie auch solche Arbeiten übernehmen zu lassen, die bislang Menschen vorbehalten waren – Tätigkeiten, die taktile Sensibilität erfordern. Schunk erweitert deshalb sein Portfolio für kompakte Leichtbauroboter mit dem FT-Axia. Der starre Sechsachs-Kraft-Momenten-Sensor baut äußerst kompakt und deckt dank Dualkalibrierung zwei Messbereiche ab. Damit lässt er sich flexibel in unterschiedlichsten Anwendungen einsetzen, von Produkttests und Prüfanwendungen bis hin zu Montage- oder Schleifapplikationen.

Zwar sind bei den Greifern für kollaborative Roboter vor allem elektrische Geräte en vogue, jedoch hat sich hier als Sonderform der Pneumatik das Vakuumgreifen einen Platz gesichert. Allerdings oft mit lokaler Vakuumerzeugung, sodass keine zusätzliche Pneumatikleitung an den Roboterarm geführt werden muss.

Dabei ist hohe Integration angesagt: Schmalz hat für einen Kunden einen Endeffektor mit elektrischer Vakuumerzeugung zusätzlich auch in die Steuerung des kollaborativen Roboters integriert. Der Bediener steuert über das Bedienpanel also nicht nur den Roboter, sondern auch den passenden Greifer. Der Strömungsgreifer SCG zum Beispiel ist speziell für die automatisierte Handhabung von empfindlichen Elektronikbauteilen entwickelt. Er erzeugt einen hohen Volumenstrom für ein sicheres und feinfühliges Handling. Das Vakuum wird in kürzester Zeit aufgebaut und ermöglicht somit sehr schnelle Handhabungszyklen. Der SCG bewegt die Bauteile auch bei geringem Belegungsgrad der Saugfläche zuverlässig, etwa wenn Leiterplatten Öffnungen oder Bohrungen aufweisen oder bestückt sind. Anwender profitieren darüber hinaus von geringen Betriebskosten: Der Greifer liefert eine hohe Leistung bei minimalem Luftverbrauch. Er hat ein Saugvermögen bis 590 Liter pro Minute und arbeitet bei einem Betriebsdruck zwischen ein und fünf bar.

Anwender können den SCG flexibel in bestehende Produktionsanlagen einbinden. Er ist anschlussfertig konstruiert, mit Abmessungen von 55 x 70 Millimeter besonders kompakt und besitzt eine integrierte Vakuum-Erzeugung. Dadurch entfallen zusätzliche Verschlauchungen – die Montage ist ohne großen Aufwand sowohl seitlich wie auch axial möglich. Der Sauger des Strömungsgreifers besteht aus dem Nitrilkautschuk Perbunan: Dieses Material ist antistatisch und leitet potenzielle elektrische Ladungen ab, die die sensiblen Elektronikbauteile beschädigen könnten.

Im Bereich des kollaborativen Handlings bietet Schmalz einen Seilbalancer, mit dem sich manuelle Hebeaufgaben teilautomatisieren lassen. Das intelligente Handhabungssystem ermöglicht schnelle Aufnahmen und Verfahrwege ebenso wie ein exaktes Ablegen, zum Beispiel bei Füge- oder Montageprozessen. Lasten von bis zu 80 Kilogramm lassen sich bewegen und mit wenig Kraftaufwand abbremsen, ohne Gefahr des Überschwingens der Last. Über eine Software können Aufnahme- und Ablagepunkte sowie Arbeitsräume und Fahrgeschwindigkeiten definiert werden. Der Anwender kann das kollaborative Handhabungssystem über den Bediengriff intuitiv und einhändig in allen Raumdimensionen führen. Der Seilbalancer ist mit einer Auslegerlänge von drei bis 4,5 Metern sowie einer Kransäule von zwei bis vier Metern Höhe lieferbar.

Dank automatischer Greifererkennung weiß der Seilbalancer, welche Art von Greifer angeschlossen ist. Er liest die entsprechenden Parameter automatisch aus – beispielsweise geleistete Betriebsstunden, die maximale Last oder angegebene Sicherheitsgrenzwerte der Greifer. Schmalz hat das neue Handhabungssystem auf die wachsenden Anforderungen der Digitalisierung ausgelegt: Ausgestattet mit verschiedenen Sensoren erfasst er Zustands- und Performancedaten, die bei der Integration in eine digitale Prozesslandschaft zur Verfügung gestellt werden können. Damit sind Condition Monitoring, Predictive Maintenance, Remote Monitoring und das Auslesen von Betriebsdaten und -zuständen zur Optimierung des Gesamtsystems möglich.

Die Neuheiten nicht nur rund um Robotik und Greifer lassen sich auch auf der Automatica in München betrachten: Schunk in Halle A5, Stand 502, Schmalz in Halle A5, Stand 303 und Zimmer in Halle 5, Stand 103.