EH-Greifer von Oriental Motor: Mehr Feingefühl bei der Arbeit

Armroboter mit elektrischem Greifer: Greifer werden in pneumatischer oder elektrischer Form als Endeffektoren für Roboter und andere automatische Maschinen verwendet.

Die weit verbreiteten pneumatischen Greifer sind zwar leicht, kostengünstig und einfach zu bedienen, aber eine präzise Einstellung von Greifkraft und Geschwindigkeit ist schwierig. Wenn es auf diese Eigenschaften ankommt, sind elektrische Greifer klar im Vorteil, denn sie ermöglichen es dem Anwender, Greifkraft, Geschwindigkeit und Position genau auf das Werkstück abzustimmen. Das verhindert nicht nur abruptes Anstoßen an das Werkstück, sondern Greifkraft und Taktzeit werden ebenso optimiert.

Mit Hilfe der Motorposition kann festgestellt werden, ob ein Werkstück vorhanden ist, zusätzlich können bei Vorhandensein die Abmessungen desselben überprüft werden. Beim elektrischen Greifer der EH-Serie dient der so genannte AZ-Motor von Oriental Motor als Antrieb und wird mit einer Greifer- und Zahnstangenmechanik kombiniert. Der Hauptvorteil dieser Konstellation liegt in der bereits erwähnten Einstellmöglichkeit der Greifkraft.

Der elektrische Greifer der EH-Serie von Oriental Motor in seiner Grundform (rechts), angetrieben wird er durch Motoren der AZ-Serie und die zugehörigen Treiber (links),

Einfacher Aufbau, optimale Wirkungsweise

Auch wenn pneumatische Greifer bei Pick-&-place-Anwendungen häufig im Einsatz sind, stoßen diese Greifer beim sanften Greifen von Werkstücken mit geringer Steifigkeit an ihre Grenzen. Genau hier entfalten elektrische Greifer ihre Vorzüge. Bei der EH-Serie ist beispielsweise keine zusätzliche Sensorik bei der Endpunktbestimmung des Greifvorgangs oder bei der Werkstückbemessung notwendig, diese Vorgänge sind vollständig automatisiert. Außerdem ist der EH-Greifer durch die Gleichstromversorgung ideal für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten wie Fahrerlosen Transportfahrzeugen (FTF) oder mobilen Robotern geeignet.

Eine Greiferkonstruktion kann auf verschiedene Weise mechanisch umgesetzt werden, z. B. mit einem Schneckengetriebe, mit Nocke und Spindel oder mit einem Zahnstangenmechanismus. Die EH-Serie verwendet Letzteren für eine hohe Übertragungseffizienz und kontinuierliche Greifkraft. Die Kombination mit einem 28 mm-Motor hält die Abmessungen des Greifers klein. Der Hub beträgt 25 mm, so dass auch Werkstücke mit unterschiedlichem Format bis zu dieser Distanz gegriffen werden können, ohne die Finger austauschen zu müssen. Dank seiner optimalen Schmierung konnte der Greifer in Tests mit voller Greifkraft 20 Millionen Greifvorgänge problemlos ausführen.

Als Antrieb dient der AZ-Motor mit Absolutsensor (ABZO-Sensor) von Oriental Motor. Im Falle eines Stromausfalls behält der ABZO-Sensor die Positionsinformationen mechanisch bei.

AZ-Motor ist der ideale Antrieb für elektrische Greifer

Bei dem Motor handelt es sich um einen Motor der AZ-Serie mit Multiturn-Absolutsensor (ABZO-Sensor). Im Falle eines Stromausfalls behält der ABZO-Sensor die Positionsinformationen mechanisch bei und ermöglicht es der Maschine, den Betrieb ohne Referenzfahrt fortzusetzen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines externen Schalters für die Referenzfahrt und der Aufwand für Konstruktion, Verkabelung und Einstellung wird reduziert.

Die EH-Serie ermöglicht sicheres und zuverlässiges Greifen von Objekten, die leicht brechen können.

Stabile und fein justierbare Greifkraft

Bei pneumatischen Greifern erfolgt die Regulierung der Greifkraft mit Hilfe eines Manometers über ein Druckminderventil. Eine Feinjustierung ist dabei schwierig. Der Luftdruckverlust hängt von der Länge und dem Innendurchmesser der Leitung vom Kompressor zum Regler sowie von der Umgebungstemperatur ab und muss bei einer Änderung dieser Bedingungen nachjustiert werden. Die elektrisch angetriebene EH-Serie kommt nicht nur ohne Druckluftinfrastruktur aus, auch die Druckregulierung ist einfacher: Die EH-Serie übt kontinuierlichen Druck auf das Werkstück aus und der Motorstrom kann bezogen auf den Maximalwert in 1 %-Schritten eingestellt werden – die Möglichkeit einer Feinjustierung ist hier somit gegeben. Der verlustarme Zahnstangenmechanismus des Systems gewährleistet eine stabile Greifkraft unabhängig von der Umgebungstemperatur. Außerdem hat die Länge des Anschlusskabels dank des Konstantstromantriebs des Treibers keine negative Auswirkung auf die Greifkraft.

Greifkraft, Position und Geschwindigkeit der Greiferzangen lassen sich einfach einstellen und können an das jeweilige zu greifende Objekt angepasst werden.

Weitere Vorteile bei der Geschwindigkeit

Pneumatische Greifer regulieren das Öffnen und Schließen der Finger mittels Änderung der Luftmenge. Das ist jedoch nicht unproblematisch, denn die Luft reagiert auf Druck- und Temperaturschwankungen mit Ausdehnung bzw. Kontraktion. Das kann sich nachteilig auf die Geschwindigkeitsstabilität und -steuerung auswirken. Im Gegensatz dazu überzeugt der EH-Greifer dank des Motorantriebs mit hoher Zuverlässigkeit: Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verfahrweg der Finger können präzise eingestellt und die Taktzeit berechnet werden.

Schnellere Taktzeit durch effiziente Kombination von Positionierung, Geschwindigkeit und Greifkraft.

Verkürzung der Taktzeit möglich

Bei pneumatischen Greifern werden Greifkraft und Geschwindigkeit durch Variation des Luftdrucks und des Luftdurchsatzes eingestellt, die sich gegenseitig beeinflussen und nur schwer unabhängig voneinander eingestellt werden können. Außerdem ist es nicht einfach, die Durchflussmenge und die Geschwindigkeit während des Betriebes zu ändern. Wenn der Luftstrom vom Regler zum Greifer durch Öffnen und Schließen des Magnetventils umgeschaltet wird, gibt es eine Verzögerung von 10 ms oder mehr von der Erregung des Magnetventils bis zum Start der Fingerbewegung. Das bedeutet, dass sich die Finger schneller öffnen und schließen, aber mehr Zeit benötigen, um den Greifvorgang zu vollenden. Abbildung 5 zeigt den Vergleich der Taktzeit zwischen einem pneumatischen Greifer und der EH-Serie bei gleichem Verfahrweg der Finger.

Vergleich der Taktzeit zwischen einem pneumatischen Greifer (links) und der EH-Serie (rechts) bei gleichem Verfahrweg der Finger. Die schnellere Taktzeit der EH-Serie ist klar zu erkennen.

Auch Betrieb mit gemischten Parametern möglich

Da mit der EH-Serie Greifkraft, Geschwindigkeit und Position separat gesteuert werden können, ist ein Betrieb mit einer Kombination dieser Parameter leicht umsetzbar. So können die Finger im Positionierbetrieb bis zu einer definierten Position mit höherer Geschwindigkeit verfahren, im Druckbetrieb nähern sie sich dann dem Werkstück mit langsamer Geschwindigkeit. So kann die Taktzeit deutlich erhöht werden. Hinzu kommt noch, dass bei einem elektrischen Greifer die Zeit zwischen Startsignal und Einsetzen der Bewegung kürzer ist als bei einem pneumatischen Greifer. Das langsame Greifen des Werkstücks ist insbesondere in Anwendungen von Vorteil, bei denen fragile oder weiche Werkstücke gegriffen und bewegt werden müssen.

Der im EH-Greifer verbaute AZ-Motor ist mit einem Absolutsensor ausgestattet, so dass keine externen Schalter für Start und Ende der Bewegung notwendig sind. Das Ende der Greifbewegung erfolgt beispielsweise über das TLC-Ausgangssignal, die Prüfung auf Vorhandensein eines Werkstücks über das AREA-Ausgangssignal.

Winkel-Drehmoment-Charakteristik eines Schrittmotors: Diese Methode zur Erzeugung der Greifkraft empfiehlt sich bei kleinen Werkstücken und bei einer Greifkraft von weniger als 6 N.

Spezialanwendung Werkstückbemessung

Der EH-Greifer ist in der Lage Werkstücke auch zu bemessen. Dafür wird zunächst ein Greifvorgang ohne Werkstück ausgeführt und mit Hilfe der Signale CLR und P-PRESET die Grundstellung eingestellt. Dann wird das Werkstück gegriffen und die Größe basierend auf der vom Treiber detektierten Position wie folgt berechnet: L = 2 • x • ∆L. Dabei ist L der berechnete Wert der Werkstückabmessung in mm und x die detektierte Position [Schritt]. ∆L bezeichnet den Mindestverfahrweg (Verfahrweg pro Impuls) in mm.

Greifen zerbrechlicher Werkstücke

Die bisherigen Ausführungen zum Greifvorgang der EH-Serie bezogen sich auf den Druckbetrieb des Greifers, d. h. es wird unabhängig vom Werkstück kontinuierlich die gleiche Greifkraft ausgeübt. Für besonders zerbrechliche Werkstücke gibt es alternativ die Möglichkeit einen Positionierbetrieb einzusetzen. Stator und Rotor eines Schrittmotors sind mit kleinen Zähnen versehen. Wenn die Wicklung (Spule) eines Statorpols erregt wird, ziehen sich die Zähne von Stator und Rotor an und stehen sich am Ende gegenüber. Übt man bei einem stillstehenden Motor ein Drehmoment auf die Welle aus, lässt sich die Welle geringfügig drehen. Dieses Verhältnis zwischen Drehmoment und Rotationswinkel der Welle bezeichnet man als Winkel-Drehmoment-Charakteristik.

Bei der Schließbewegung der Greiferfinger kann nun das in den Phasen 1-3 dargestellte Drehmoment eingesetzt werden. Die Finger greifen das Werkstück mit einer minimal kürzeren Distanz als die der Werkstückabmessung, wodurch die Greifkraft erzeugt wird. Dieser Vorgang wird mit Hilfe des Betriebsstromwertes gesteuert. Diese Methode zur Erzeugung der Greifkraft empfiehlt sich bei kleinen Werkstücken und bei einer Greifkraft von weniger als 6 N, da in diesem Bereich ein Druckbetrieb schwierig ist. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der elektrische Greifer der EH-Serie in vielen Anwendungsfällen eine sehr gute Alternative zu pneumatischen Lösungen darstellt und Vorteile hinsichtlich der präzisen Einstellung von Greifkraft und Geschwindigkeit bietet. Taktzeiten können erhöht, Werkstücke bemessen und fragile Werkstücke sicher gegriffen werden.