Wie kann man Werkstücke anpacken?

Greifer versus Werkerhände

Greifen ist bei den Arbeitswissenschaftlern ein Bewegungselement, bei dem durch Schließen der Finger ein Arbeitsgegenstand erfasst wird. Der Werker kontrolliert das Objekt. Seine Finger wandeln sich in der Automatisierung zum Klemmbacken-Endeffektor und das in den verschiedensten Varianten.

Bild 1: Schwenken von Objekten mit dem Radialgreifer. 1 pneumatische Dreheinheit, 2 Objekt, 3 Radialgreifer, 4 Greiforgan, 5 Lichttaster, 6 Förderband.

Handhabungsmaschinen (Automaten, Roboter, Manipulatoren) benötigen künstliche Hände und die Greifobjekte sollten unempfindliche Griffflächen zur Verfügung stellen. Der Anwendungsbereich von Fingergreifern reicht von technischen Handhabungsaufgaben wie beispielsweise das Manipulieren von Werkstücken und Glasgefäßen bis zur Handhabung von landwirtschaftlichen und tierischen Produkten. Die ersten Fragen sind immer:

  • Lässt sich das Objekt überhaupt automatisch sicher greifen?
  • Mit welcher Beschleunigung, Geschwindigkeit und Genauigkeit kann das gegriffene Objekt bewegt werden?

Halten mit zwei und vier Fingern
Nicht immer steht das Heben von Objekten an erster Stelle. So zeigt das Bild 1 eine Anwendung, bei der auf einem Förderband ankommende Teile um 90 Grad gedreht werden müssen. Das kann allmählich im Durchlaufverfahren geschehen oder platzsparend auf der Stelle. Im letztgenannten Fall erledigt das ein Greifer. Dieser ist im Beispiel an einer pneumatischen Schwenkeinrichtung angeschlossen. Weil der Greifer einen Gesamtöffnungswinkel der Finger von 180 Grad aufweist, werden diese vollständig aus dem Wirkbereich zurückgezogen, was im Einsatzfall von Vorteil ist. Man erspart sich dadurch eine vertikale Hubeinheit. Die Aktion beginnt, wenn der Lichttaster ein Signal sendet.

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Bild 2: Zweifinger-Klemmgreifer. 1 Befestigungsfläche für Greiforgane, 2 Viergelenk-Hebelkinematik, 3 Greiferflansch (GMG-system.com).

Für seine mechanischen Greifer möchte der Anwender meistens eine große Greifweite zur Verfügung haben, wenn nicht der Zeitbedarf für Öffnen und Schließen der Finger oder Störkanten in der Umgebung dagegen sprechen. Die in Bild 2 dargestellte Greifermechanik besticht durch einen großen Greifbereich der sich in Kreisschiebung bewegenden Grundbacken (im Bild noch ohne werkstückspezifische Greifbacken). Die mechanische Hebelei entspricht einem Parallelogramm. Man kann mit einer Zeit für das Öffnen oder Schließen der Backen von etwa 1,5 Sekunden rechnen. Ein großer Greifbereich bedeutet eine gewisse Freizügigkeit bezüglich der Bauteilgröße. Es gibt auch einen Dreifingergreifer auf Basis der beschriebenen Kinematik. Rundteile werden beim Greifen auf Greifermitte zentriert, sowohl beim Innen- wie beim Außengriff.

Bild 3: Vierfingergreifer. 1 Basisplatte, 2 Parallelbackengreifer, 3 Greiferfinger.

In Bild 3 wird ein „unechter“ Vierfingergreifer vorgestellt. Beim genauen Hinsehen erkennt man, dass zwei Zweibacken-Parallelgreifer im rechten Winkel auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet wurden. Allerdings muss man die Greifbacken eines Greifer ebenfalls winkelig anpassen. Der Vierpunktgriff zentriert das Objekt auf Greifermitte. Es gibt natürlich auch „echte“ Vierfingergreifer.

Bild 4: Kniehebelspanner als Greiforgan (Tünkers). 1 Grundrahmen mit Rasterbohrungen, 2 Rundrohrsystem, 3 Kreuzschelle, 4 Spannarmwelle, 5 Spannarm, 6 Blechformteil, 7 feststehende Greifbacke, 8 Pneumatikzylinder.

Wenn Kräfte walten
Tatsächlich bringen Blechtafeln oder große Blechformteile einiges an Gewicht auf die Waage. Das erfordert besonders in der Umformtechnik kraftvolle Endeffektoren. Großflächige Teile lassen sich mit verteilten Effektoren anfassen, beispielsweise mit Vakuumsaugern. Wird das Blechteil am Rand angepackt, so braucht man wegen großer Kraftmomente sehr wirksame Spannfinger. Als Beispiel wird in Bild 4 ein pneumatisch betriebener Kniehebelspanner als Greiforgan eingesetzt. In der Übertotpunktlage ist der Spanner durch die inneren Kräfte verriegelt und kann sich nicht mehr von selbst beim Heben oder Bewegen des Blechteils öffnen. Als Basis für das Greifsystem dient ein Grundrahmen, der im Einzelfall sehr groß ausfallen kann. Angestrebt wird ein gutes Verhältnis zwischen Eigenmasse, Steifigkeit und Vibrationsneigung. Die Anbindung einzelner Klemmgreifer wird über hochpräzise Aluminiumrundrohre vorgenommen. Um „tote“ Masse zu sparen, sind auch Komponenten aus Carbon möglich.

Ein anderer Weg: Wegen der Vielzahl unterschiedlicher Greifobjekte kann man die Komponenten für ein pneumatisches Greifsystem ebenfalls in modulare Baukastenteile auflösen. Das sichert die schnelle Bereitstellung von Greifern aus bewährten Komponenten. Die Frage ist dabei immer, wie geschickt sich das machen lässt. Darum geht es im nächsten Beispiel.

Bild 5: Vakuumsauger-Baukastenmodul (nach Schmalz). a) Modulaufbau, b) 4er-Modulgreifer, 1 Verbindungsrohr, 2 Verbindungsknoten, 3 Verschlussstopfen, 4 frei wählbarer Saugertyp.

Modulare Vakuum-Endeffektoren
Für den Mehrfachgriff oder das Greifen mit flächenverteilten Vakuumsaugern braucht man eine Basislösung, mit der man ohne ständige Neukonstruktion auskommt. Ein solches System wird in Bild 5 vorgestellt, bei der man von einer unifizierten „Zelle“ ausgehen kann. Sie lässt sich vielfach aneinander reihen.

In Bild 5 ist ein solcher Greifer zu sehen, der aus vier „Zellen“ zusammengesetzt ist. Der Greiferaufbau ist flexibel konfigurierbar und das mit Hilfe von CAD-Daten, automatisch erzeugter Stückliste und der 3D-Ansicht des Greifers. Die vollständig aus Kunststoff bestehenden Bauteile gewährleisten beste Hygieneeigenschaften, was beispielsweise in der Lebensmittelbranche und in der Verpackungstechnik gefordert wird.

Die Darstellung in Bild 5 zeigt keineswegs schon den Umfang an Bauteilen, der im Baukasten enthalten ist. So gibt es Stabilisierungselemente zur Abstützung des Werkstücks an nachgiebigen Faltenbalgsaugern zur Erhöhung der Beschleunigung, die bei 10g liegen kann. Die maximale Traglast wird vom Hersteller mit zwei Kilogramm angegeben; bei der Werkstückgröße liegen die Abmessungen bei 400 mal 300 Millimeter für den 4er-Grundmodul. Die Greifer werden somit konfiguriert (projektiert) und nicht konstruiert. Das ist mit erheblichen Zeiteinsparungen in der Phase der Umsetzung eines Projekts (Herstellung des Greifers, Dokumentation) verbunden.     he

Literatur
Hesse, S. Greifertechnik- Effektoren für Roboter und Automaten. Carl Hanser Verlag, München 2011
Hesse, S.; Krahn, H.: Eh, D.: Betriebsmittel Vorrichtung. 2. Aufl. Hanser Verlag, München 2012

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