Greifer mit EC-Kleinstantrieben – zupackend und feinfühlig

Feinfühlig und präzise, zuverlässig und langlebig – je nach Greifkonzept konnte man bisher nur einzelne Aspekte optimieren, ohne andere Eigenschaften zu beeinträchtigen. Nun erschließen kraftvolle und dynamische Kleinstantriebe in Verbindung mit flexibler Ansteuerung und anwendungsangepasster Getriebeabstufung neue Möglichkeiten bei der Flexibilität von Greifern, die sich für unterschiedlichste Anwendungen eignen, vom schweren Paket bis hin zum empfindlichen Schlüsselrohling oder Reagenzglas im Labor.

Zupacken, Anheben, Zuordnen und Absetzen sind für den Menschen monotone Arbeiten, die sich gut automatisieren lassen. Die wichtigste Komponente dabei sind die Greifer, also die „Schnittstelle“ vom Gegenstand, der erfasst werden soll, zum vordefinierten Wunsch, das Teil an eine bestimmte Stelle zu befördern. Gerade in der Laborautomation sind momentan durch die millionenfach geforderten Coronatests automatisierte „Pick-and-Place“-Lösungen bei der Probenanalyse unverzichtbar. Die erforderliche Testkapazität kann nur durch eine kleine Bauweise, zuverlässige Funktion und möglichst wartungsfreien Dauerbetrieb erzielt werden. Hier haben sich kleine, bürstenlose Elektromotoren wie der BX4 von FAULHABER bewährt.

Elektroantrieb statt Druckluft bietet Mehrwert
Für automatische Laboranalysen bietet ein vollelektrischer Antrieb einen deutlichen Mehrwert gegenüber herkömmlichen Systemen zum Beispiel 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.

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.

Manipulation mit Greifern
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 fünf Kilogramm schwere Komponenten greifen, sondern durch den sehr dynamischen bürstenlosen Motor BX4 auch sehr feinfühlig filigrane Teile wie zerbrechliche Reagenz- und Proberöhrchen umsetzen. „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.

Wartungsfreier dynamischer Dauerbetrieb
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 zehn Millionen Zyklen ohne Wartung auskommt“, ergänzt Volker Kimming. „Das geht natürlich nur mit einem qualitativ hochwertigen Motor.“ 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 zum Beispiel 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 bleiben 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.

Beliebig skalierbar
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. 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.“

Kraftvoll, feinfühlig und präzise
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.

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