Üblicherweise verrichten Roboter immer die gleichen Arbeiten, die sie mit hoher Präzision wiederholen – damit eignen sie sich ideal für die Massenproduktion. Doch zunehmend ist Flexibilität gefragt, um kleine Losgrößen zu fertigen. Ausgestattet mit innovativen Werkzeugwechslern, die sich wahlweise pneumatisch, elektrisch oder manuell bedienen lassen, werden Roboter zu flexiblen Multitalenten, mit denen Anwender auch Kleinserien oder Einzelstücke wirtschaftlich herstellen. Bürstenlose DC-Flachmotoren mit hoher Leistungsdichte sind bei den elektrisch betriebenen Wechselsystemen die treibende Kraft.

Mit den Werkzeugwechselsystemen der TKX-Serie will IPR aus Eppingen der robotischen Automation neue Möglichkeiten erschließen. Dazu wird ein Adapter am Ende des Roboterarms befestigt, der verschiedene Werkzeuge aus einem Magazin aufnimmt. Derselbe Roboter kann zum Beispiel ein Werkstück zunächst greifen und positionieren, es dann bearbeiten und schließlich mit einem Konturtaster oder einer Kamera die Qualität prüfen und dokumentieren. Der Adapter ist mit Durchführungen für entsprechende Werkzeugfunktionen und seitlichen Anschraubflächen für Zusatzmodule versehen. Hauptfunktion des Adapters ist die schnelle und prozesssichere Verriegelung des Werkezugs nach der Aufnahme sowie die Entriegelung nach Werkzeugablage.

Verschiedene Antriebslösungen

Traditionell wird diese Aufgabe pneumatisch erledigt. Die Drucklufttechnik hat sich über Jahrzehnte bewährt und ist für die Handhabung schwerer Objekte geeignet. Ein Pneumatik-System benötigt allerdings Kompressoren, Leitungen und eine eigene Steuerung; das bedeutet eine hohe Investition bei Neuinstallation. In Branchen mit erhöhten Anforderungen an Sauberkeit und Hygiene wie Mikroelektronik oder Lebensmittel ist Pneumatik wegen der Kontaminationsgefahr aufgrund austretender Druckluft oft nicht möglich; im Reinraum beispielsweise ist sie tabu. Zunehmend fällt daher die Wahl auf elektrische Antriebe.

Roman Batz, Entwicklungsingenieur bei IPR erklärt: "Neben der hygienischen Unbedenklichkeit ist es vor allem die Flexibilität im Einsatz, die für Elektromotoren spricht. Im Gegensatz zu einem Druckluftanschluss ist eine Steckdose praktisch überall zu finden. Bei neuen Industrieanlagen verzichtet man heute oft auf die Einrichtung eines Pneumatik-Systems. Für Cobots und kleinere Roboter sowie für dezentrale Einsatzorte ist die elektrische Variante ohnehin fast immer die bessere Lösung." Bei der Motortechnik hat es in den vergangenen Jahren Fortschritte gegeben; viele Anwendungen benötigen viel Leistung bei kleinen Abmessungen. "Bei Faulhaber finden wir Motoren, die mit pneumatischen Antrieben locker mithalten können", ergänzt Roman Batz.

Hohe Leistung gefordert

Dabei müssen die Kleinmotoren Beachtliches leisten: Der derzeit stärkste elektrische Werkzeugwechsler, der TKE 300, ist für das Handling von Objekten bis 300 Kilogramm Gewicht geeignet. Er wird zum Beispiel in der Metallverarbeitung eingesetzt werden, wenn Roboter mit Gussblöcken oder großen Schmiedeteilen hantieren. Dann wirkt die gesamte Masse mit ihrer Zugkraft auf den Verriegelungsring im Wechsler. Für das sichere Halten würde hier eigentlich schon das Drehmoment ausreichen, das der Motor im Standbetrieb liefert. IPR hat hier jedoch zusätzlich eine selbstentwickelte Kinematik eingebaut, um eine zuverlässige und spielfreie Fixierung zu gewährleisten.

Die Antriebskraft für das Öffnen, Schließen und Halten liefert ein bürstenloser Motor der Faulhaber-Familie BXT. Die Motoren wurden auf Basis der klassischen Außenläufer-Bauweise entwickelt. Dank innovativer Wicklungstechnik und optimierter Auslegung liefern die bürstenlosen DC-Servomotoren Drehmomente bis zu 134 Milli-Newtonmeter bei einem Durchmesser von 22, 32 beziehungsweise 42 Millimeter und liefern bei hohem Wirkungsgrad eine Dauerleistung bis 100 Watt. Damit übertreffen die kompakten Motoren die in dieser Antriebsklasse normalerweise üblichen Standards. Vor allem das Verhältnis von Drehmoment zu Bauraum und Gewicht ist beachtlich. Durch den hohen Kupferfüllfaktor und die Auslegung der Polschuhe ist das Magnetfeld stark und das Rastmoment klein.

Wechsler-Portfolio mit allen Antriebsarten

Diese Leistungsdichte gehört zu den Voraussetzungen für das Alleinstellungsmerkmal der neuen Produktfamilie von IPR, das Roman Batz so beschreibt: "Mit der TKX-Reihe kommen die ersten Werkzeugwechsler auf den Markt, die auf derselben Plattform sowohl mit pneumatischem als auch mit elektrischem Antrieb zur Verfügung stehen. Eine manuelle Version gehört auch zur Produktfamilie. Das heißt, das gesamte Zubehörportfolio kann mit allen Antriebsarten genutzt werden. Auch ein Umstieg auf den elektrischen Betrieb erfordert keinen großen Aufwand." Die elektrischen Werkzeugwechsler wird es in sieben Baugrößen geben für die Handhabung von Werkstücken von 3 bis 300 Kilogramm.