Evolution in der Robotik dank elektrischer Antriebstechnik von Faulhaber

Der Roboter funktioniert elektrisch und der Aktor oft noch pneumatisch. Mit einer durchgängigen elektrischen Antriebslösung der gesamten Roboterzelle ist die Anlage nachhaltiger und effizienter durch die elektrischen Antriebe.

Die Vielfalt der Aufgaben, die von Robotern erledigt werden, ist inzwischen grenzenlos. Sie reicht vom Greifen und Halten über Manipulationen wie Klemmen und Schrauben bis zum Ausschäumen und Schweißen. In einheitlicher Massenproduktion können spezialisierte Roboter eingesetzt werden, die Tag und Nacht dieselbe Arbeit verrichten. Doch in vielen Prozessen ist Flexibilität – Stückzahl-1-Produktion – gefragt, auch um Investitionskosten zu sparen. Hier kommt der Werkzeugwechsler TKX ins Spiel. Am Ende des Roboterarms befestigt, kann er verschiedene Werkzeuge aus einem Magazin aufnehmen. Damit wird der Roboter in die Lage versetzt, ein Werkstück zunächst zu greifen und zu positionieren, es dann mit Werkzeugen zu bearbeiten und schließlich mit einem Konturtaster oder einer Kamera die Qualität zu prüfen und zu dokumentieren. Dafür braucht der Adapter passende Durchleitungen (Durchführungen) für Werkzeugfunktionen. Die TKX-Serie bietet alle Optionen, dazu mehrere seitliche Anschraubflächen für Zusatzmodule. Doch die Hauptaufgabe des Wechslers besteht darin, das Werkzeug bei der Aufnahme sicher zu verriegeln und beim Ablegen nach Gebrauch die Verriegelung wieder zu lösen, dies schnell und prozesssicher.

Am Ende des Roboterarms ist in der beschriebenen Anwendung der Werkzeugwechsler TKX befestigt. Dieser kann verschiedene Werkzeuge aus einem Magazin aufnehmen. Damit wird der Roboter zum Beispiel in die Lage versetzt, ein Werkstück zunächst zu greifen und zu positionieren.

Roman Batz
Entwicklungsingenieur bei IPR

„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.“

Pneumatisch oder elektrisch?

Für diesen Vorgang wird in vielen industriellen Anwendungen traditionell die pneumatische Kraftübertragung verwendet. Die Drucklufttechnik hat sich über Jahrzehnte bewährt und sie ist nicht zuletzt für die Handhabung sehr schwerer Objekte gut geeignet. Ein Pneumatik-System braucht allerdings Kompressoren, Leitungen und eine eigene Steuerung mit zahlreichen mechanischen Komponenten – bei der Neueinrichtung eine beträchtliche Investition. In Branchen mit erhöhten Anforderungen an Sauberkeit und Hygiene wie Mikroelektronik oder Lebensmittel kommt Pneumatik wegen des unvermeidlichen Ausstoßes von Druckluft an vielen Stellen gar nicht in Frage; im Reinraum ist sie tabu.

IPR – Intelligente Peripherien für Roboter in Eppingen beobachtet einen starken Trend, statt der pneumatischen Antriebe zunehmend elektrische zu verwenden: „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.“ Dass der elektrische Antrieb heute eine echte Alternative zur Pneumatik darstellt, hat auch mit der Motortechnik zu tun, erklärt Roman Batz, Entwicklungsingenieur bei IPR: „Da hat es in den letzten Jahren große Fortschritte gegeben. In unseren Anwendungen brauchen wir grundsätzlich sehr viel Leistung bei sehr kleinen Abmessungen. Bei Faulhaber finden wir die Motoren, die mit pneumatischen Antrieben locker mithalten können.“

Der Faulhaber BXT ist ein Außenläufer-Motor mit sehr hohem Drehmoment.

Öffnen, Schließen, Halten

Mithalten ist hier auch wörtlich gemeint: Das derzeit stärkste elektrische Modell der TKX-Serie ist der TKE 300. Er ist für das Handling von Objekten bis 300 kg Gewicht geeignet. Mit solchen Brocken, etwa in Form von Gussblöcken oder großen Schmiedeteilen, hantieren Roboter in der Metallverarbeitung. Ihre gesamte Masse wirkt dann mit ihrer Zugkraft auf den Verriegelungsring im TKX-Wechsler. Für das sichere Halten würde hier eigentlich schon das Drehmoment ausreichen, das der Motor im Standbetrieb liefert. IPR hat hier jedoch zusätzlich eine im Haus entwickelte selbsthaltende Kinematik eingebaut, um eine besonders zuverlässige Fixierung zu gewährleisten.

Die Antriebskraft für das Öffnen, Schließen und Halten liefert ein bürstenloser Motor der Faulhaber-Familie BXT. Mit seiner Außenläufer-Technologie erreicht er ein auf dem Markt einzigartiges Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und Bauvolumen. 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 übrigens auch zur Produktfamilie. Das heißt, das gesamte Zubehörportfolio kann mit allen Antriebsarten unverändert genutzt werden. Auch ein Umstieg auf den elektrischen Betrieb erfordert keinen großen Aufwand. Für die robotische Automation werden damit neue Möglichkeiten eröffnet.“

Zuverlässig und kombinationsfähig

Die TKE-Wechsler wird es in sieben Baugrößen geben für die Handhabung von Werkstücken von 3 bis 300 kg. Damit deckt die elektrische Variante der Produktfamilie eine große Palette von Einsatzfeldern ab, vom Leichtbauroboter bis zur stationären Applikation. Die Dimension der eingesetzten BXT-Motoren entspricht der Anwendung. „Die Bandbreite der Baugrößen sowie die große Auswahl an passenden Getrieben für die jeweils optimale Untersetzung war für uns ein wichtiges Kriterium“, erläutert Batz. „Roboter sollen siebenstellige Zykluszahlen ohne Wartung schaffen. Da kommt also nur ein bürstenloser Motor in Frage, der zudem höchste Verarbeitungsqualität aufweist. Er sollte leicht anzusteuern sein und ohne zusätzliche Steuerung auskommen – dafür sorgt der integrierte Speed Controller. Nicht zuletzt müssen die Komponenten Temperaturen bis +80 °C vertragen.“

Ganz allgemein setzen die Außenläufer-Motoren der Baureihe BXT neue Maßstäbe: Dank innovativer Wicklungstechnik und optimaler Auslegung liefern die BXT-Motoren ein Drehmoment bis zu 134 mNm. Das Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und Bauvolumen ist einzigartig. Die eisenbehafteten Motoren mit 14 Hochleistungs-Selten-Erd-Magneten auf dem Rotor und zwölf Zähnen auf dem Stator sind nur 14, 16 bzw. 21 mm lang und sind damit für Anwendungen geeignet, die eine kurze Antriebslösung mit hohem Drehmoment erfordern. In Verbindung mit optischen und magnetischen Encodern, Getrieben und Steuerungen steht ein kompaktes Antriebssystem zur Verfügung. IPR bezieht alle Kleinmotoren von Faulhaber. „Die Zusammenarbeit begann vor vielen Jahren, lange vor meiner Zeit“, erzählt der Entwicklungsingenieur. Neben der einzigartigen Qualität der Produkte spielen für ihn weitere Aspekte eine wichtige Rolle: „Das fängt bei der sehr einfachen Auslegung von Motor-Getriebe-Kombinationen auf der Faulhaber-Website an. Ich brauche nur wenige Klicks, um mir einen umfassenden Überblick zu verschaffen. Die technischen Details sind sehr gut dokumentiert und wenn es um die präzise Berechnung der Feinheiten geht – Wirkungsgrad, Stromverbrauch, Temperaturentwicklung über die Zeit und so weiter – bekomme ich jederzeit die Unterstützung, die ich brauche.“