Pneumatik oder Mechatronik? … Es kommt drauf an!
Bisher wurden in der Greiftechnik primär pneumatisch angetriebene Greifmodule eingesetzt. In jüngster Zeit drängen jedoch mehr und mehr elektrische Greifer auf den Markt. Im Wettstreit dieser Systeme verfügen beide über starke Argumente.
Pneumatische Antriebe für Greifer, Linearachsen oder Schwenkeinheiten stellen eine seit Jahrzehnten bewährte und gut eingeführte Technologie dar. Die erforderliche Luftdruckinfrastruktur ist in den Unternehmen meist schon vorhanden und pneumatische Antriebe zeichnen sich durch gute Werte bei Dynamik, Kräften und Momenten aus. Pneumatikantriebe sind technisch nicht übermäßig aufwändig und daher meist kostengünstig, so dass sie vergleichsweise geringe Fixkosten mit sich bringen. So sind insbesondere kleine Greifer günstiger als ihre elektrischen Pendants.
Pneumatikantriebe bieten aber wenige Regelmöglichkeiten, denn eine Pneumatikkomponente ist meist nur in der Lage, eine Bewegung ganz oder gar nicht durchzuführen. Zwischenpositionen können nur mit hohem Aufwand realisiert werden, und der Einfluss auf Parameter wie etwa den Geschwindigkeitsverlauf einer Bewegung ist praktisch unmöglich.
Die von Pneumatikantrieben benötigte Druckluft ist eine sehr teure Energieform, deren Gesamtkosten häufig unterschätzt werden: Sie liegen je nach Betrachtungsweise bei 4 bis 7 Cent pro Normliter (Nl). Hinzu kommt, dass die Pneumatik eine aufwändige Infrastruktur erfordert, zu der Kompressoren, Leitungen, Tocknungsanlagen, Öler und Filter gehören. Das führt dazu, dass Pneumatik zwar niedrigere Fixkosten aufweist, dafür aber auch höhere variable Kosten, so dass die Total Cost of Ownership mit steigenden Zykluszahlen deutlich ansteigen.
Flexible Mechatronik
Mechatronische Komponenten werden elektrisch angetrieben, wobei dazu meist ein Servomotor eingesetzt wird, der zusammen mit einer integrierten Steuerung die mechatronische Einheit bildet. Mechatronische Antriebe erlauben es, praktisch alle Parameter der Bewegung zu regeln. Es ist sowohl kraft- als auch positionsgesteuertes Fahren möglich, die Position ist auch ohne zusätzliche Sensoren immer bekannt, und bei der Verkettung mehrerer Module ist auch eine Bahnsteuerung möglich, die das Abfahren beliebig geformter Bahnen mit frei wählbaren Geschwindigkeiten ermöglicht.
Für elektrische Greifsysteme bedeuten diese Merkmale zum Beispiel, dass damit die genaue Kontrolle über Parameter wie Greiferstellungen, Hübe, Schließgeschwindigkeiten, Beschleunigungen oder Kräfte möglich wird. Die Messung von Bewegungs- und Halteströmen gibt Aufschluss über die aktuellen Beschleunigungen und Kräfte, und damit liefern mechatronische Greifer auch ohne zusätzliche Sensoren Daten, die in der Maschinensteuerung oder in einem externen Computer verarbeitet werden können. Da sämtliche Parameter jederzeit abgefragt werden können, lassen sich Fertigungsprozesse damit leichter überwachen – auch aus jeder beliebigen Entfernung.
Die Ist-Werte der verschiedenen Parameter können über die Steuerung in kürzester Zeit verändert werden, damit lässt sich eine Fertigung weit flexibler gestalten als je zuvor. Während pneumatische Greifer lediglich geöffnet und geschlossen werden können, bieten ihre mechatronischen Pendants ganz andere Möglichkeiten. Wird beispielsweise für einen Greifprozess ein Hub von lediglich 2 mm benötigt, so kann ein pneumatischer Greifer, der einen festen Hub von 20 mm aufweist, darauf nicht angepasst werden: Der Greifer muss bei jedem Takt vollständig öffnen – das kostet nicht nur Zeit, sondern verbraucht auch Druckluft. Über die Anpassung der Finger an den Durchmesser des Werkstücks kann der Hub zwar begrenzt werden, aber die so angepassten Greifer eignen sich dann nur für diesen einen Werkstückdurchmesser und müssen bei einem Produktwechsel ausgetauscht werden. Bei einem elektrischen Greifer kann der Hub durch die Vorpositionierung der Greiferfinger auf sehr kleine Werte eingestellt werden. Dadurch sinken die Schließ- und Öffnungszeiten ebenso wie die Taktzeiten – und vor allem können diese Einstellungen bei einem Produktwechsel jederzeit an veränderte Werkstückdurchmesser angepasst werden.
Mechatronische Systeme bieten dem Anwender viele neue Möglichkeiten, aber gerade deswegen sind sie auch deutlich komplexer als pneumatische Systeme. Der Einsatz von Mechatronik stellt für viele Unternehmen daher eine neue Herausforderung dar. Mitarbeiter in Konstruktion, Produktion und Vertrieb betreten oft technisches Neuland und müssen dazu mit neuem Know-how ausgestattet werden.
Klares Ergebnis im Kostenvergleich
Pneumatische Systeme gelten als relativ preisattraktiv. Tatsächlich sind Pneumatik-Komponenten in der Anschaffung meist günstiger als mechatronische Komponenten. Allerdings werden bei der Anschaffung von Maschinen und Komponenten allzu häufig die Gesamtkosten nicht angemessen berücksichtigt – ein Fehler, der in Zeiten hoher Energiekosten durchaus teuer werden kann. Vergleicht man nämlich die echten Gesamtkosten, in die auch die Aufwendungen für Betrieb, Inbetriebnahme, Wartung etc. einfließen, dann entpuppt sich der vermeintliche Kostenvorteil für die Pneumatik als eine Illusion. Prof. Dr.-Ing. Wolf-Dieter Goedecke vom Schunk-Kooperationspartner GAS hat für Linearachsen einen Vergleich zwischen pneumatischen und mechatronischen Antrieben durchgeführt und kam dabei zu eindeutigen Ergebnissen.
Wie die nebenstehende Tabelle zeigt, sind elektrisch angetriebene Linearachsen zwar etwas günstiger in der Anschaffung, aber ihre Gesamtkosten sind bei weitem höher. Frappierend ist der Vergleich der Energiekosten während des Betriebs: da die Energieart Druckluft wesentlich teurer als die Energieart Strom ist, liegen die Energiekosten nach fünf Jahren bei den pneumatischen Achsen im Mittel etwa 20 Mal so hoch wie bei den elektrisch betriebenen Achsen.
Eine Vergleichsberechnung, die Schunk für Greifer durchgeführt hat, hat ähnliche Ergebnisse erbracht. So zeigt sich bei einem Vergleich des elektrisch angetriebenen Verpackungsgreifer LEG mit seiner pneumatischen Entsprechung PFH, dass der LEG nach einer Betriebszeit von zwei Jahren seine deutlich höheren Einstandskosten wieder hereingeholt hat und von da an im Kostenplus arbeitet.
Fazit
Mechatronische Systeme bieten gegenüber pneumatischen Antrieben eine Reihe zusätzlicher Vorteile. Ihre Flexibilität eröffnet neue Möglichkeiten bei der Gestaltung von Handling- und Montageprozessen, und ihre betriebswirtschaftlichen Gesamtkosten machen sie klar zum Kostenführer. Pneumatische Greifer dagegen sind attraktiv im Anschaffungspreis. Ihre Inbetriebnahme ist einfach, sie sind robust und leicht zu verstehen, und viele Unternehmen haben jahrzehntelange Erfahrung mit ihnen gesammelt. Bei der Entscheidung zwischen beiden Systemen gibt es also zwar einen Favoriten, aber kein klares Richtig oder Falsch. Ausschlaggebend wird letztlich die Situation vor Ort sein, die in einer sorgfältigen Abwägung aller Faktoren genau analysiert werden sollte.
Special Lebensmittelindustrie
Der Lebensmittelbereich weißt noch einen relativ geringen Automatisierungsgrad auf. Naturgewachsene Produkte haben eine große Sortenvielfalt und unterliegen hohen Toleranzen, Produktionen zu automatisieren ist somit eine Herausforderung. Raue Umgebungsbedingungen und höchste Ansprüche an Reinigung und Hygiene erschweren die Anforderungen.
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