Auf den Kopf gestellt – Heidenhain-Taster sorgt für höchste Präzision

Die Aufgabenstellung an IMSTec: Die Entwicklung einer vollautomatisierten Anlage zur Herstellung, Reinigung und Prüfung von Nadeln für die Augenheilkunde.

Eigentlich saust das Werkstück-Tastsystem TS 150 von Heidenhain hängend in der Spindel einer Werkzeugmaschine mit bis zu 3.000 mm/min Antastgeschwindigkeit durch den Maschinenraum. Die findigen Köpfe bei ITG Innovative Technologies kehren dieses Prinzip aber vollständig um und setzen das Tastsystem fest platziert und aufrechtstehend ein, um Roboter in hochgenauen Applikationen einzumessen. Der Arbeitsprozess für die Herstellung der Nadeln ist schnell umrissen: Angelieferte Kanülen werden in einer Spritzgießvorrichtung an ihrem Ende mit einem Kunststoff umspritzt und so zu Nadeln veredelt. An den Spritzgießvorgang schließt sich noch eine umfassende Reinigungs- und Prüfroutine an, die sicherstellt, dass die Nadeln die hohen Anforderungen an Sauberkeit und Funktionalität in der späteren Medizinanwendung erfüllen.

Die Herausforderung: das Handling der filigranen Nadeln durch Roboter.

Carsten Prokopp
Softwareentwickler bei IMSTec

„Durch die Routinen zur Vermessung, die wir mit dem iMS-System und dem Heidenhain-Taster aufbauen konnten, realisieren wir Fügeprozesse zwischen 20 µm und 50 µm – je nach erreichbarer Wiederholgenauigkeit des Roboters.“

Die Herausforderung

Besonderheit dieser Anwendung ist das Handling der winzigen Kanülen und Nadeln. Ihr Innendurchmesser reicht hinab bis 0,3 mm. Außerdem verfügen die filigranen Teile schon über eine angeschliffene Spitze, die keinesfalls beschädigt werden darf und exakt positioniert werden muss. Denn die Orientierung des Anschliffs muss mit der vorgesehenen Orientierung des Applikators übereinstimmen, um später eine sichere Anwendung des Applikators und die exakte Verabreichung des Medikaments zu gewährleisten.

Damit die eingesetzten Roboter die kleinen Teile genau fassen und auch wieder ablegen können, setzt IMSTec auf das iMS-System von ITG. Es besteht aus einer Elektronik inklusive Kalibriersoftware für jeden Roboter sowie einer Tastsystemeinheit, die für die Einmessvorgänge wechselweise in entsprechend vorbereitete Aufnahmen in der Reichweite jedes einzelnen Roboters montiert werden kann. Der Einmessvorgang ist dann denkbar einfach: Der Roboter greift einen definierten Teachkörper und führt diesen an das Tastsystem heran. Die Steuerung des Einmessens erfolgt automatisch über die Kalibriersoftware, der Bediener der Anlage benötigt keinerlei Robotik-Know-how dafür. Aus den ermittelten Werten und den Konstruktionsdaten des Teachkörpers lässt sich nun exakt der Tool Center Point des Greifers ermitteln.

Tastvorgang: Der Roboter führt einen definierten Teachkörper an das TS 150 heran. Die Steuerung des Einmessvorgangs erfolgt automatisch über die Kalibriersoftware.

Martin Loch
Experte bei ITG Innovative Technologies GmbH

„Die Flexibilität des iMS Messsystems und die taktile Messung mit dem Heidenhain-Tastsystem bringen für Anlagenbauer und Anwender klare Vorteile: eine vollautomatische Kalibrierung der gesamten Roboterzelle für eine jederzeit reproduzierbare Genauigkeit, die mit optischen Systemen nicht erreichbar ist.“

Die zweite Anwendung

Selbstverständlich genügt es nicht, dass der Roboter sich hochgenau bewegt. Auch die Entnahme- oder Übergabestationen für die Nadeln müssen exakt eingemessen sein. So kommt das Tastsystem TS 150 in beinahe gewohnter Art zum Einsatz: Über eine spezielle Aufnahme wird es am Roboterarm befestigt und misst so die Trays ein, auf denen die Nadeln während des Fertigungsprozesses und nach ihrer Fertigstellung abgelegt werden. Von der höheren Genauigkeit der Roboter profitiert nicht nur der Kunde der Anlage zur Nadelfertigung. Auch für IMSTec selbst bietet die ITG-Lösung mit dem Heidenhain TS 150 schon im Aufbau der Anlage zahlreiche Vorteile. Denn das taktile System arbeitet überall problemlos, wo der Roboter es erreichen kann – auch in versteckten Winkeln. Das erleichtert die Konstruktion der Anlagen. Außerdem nutzt IMSTec das Einmessen immer wieder während der Bauphase der Anlagen, z. B. bei Änderungen an der Konstruktion der Werkstückträger. Entscheidend ist aber das initiale Einmessen nach dem Aufstellen der Fertigungseinheit beim Kunden. Denn dann kommt es schließlich darauf an, die geforderte Genauigkeit in der Serienfertigung von mehreren Millionen Nadeln pro Jahr zu erreichen.

Die Lösung: Über das iMS-System von ITG werden die Roboter an einem Heidenhain Werkstück-Tastsystem TS 150 exakt eingemessen.

Im Betrieb

Der Kunde kann das Kalibriertool jederzeit selbst einsetzen. Das kann im Zuge einer turnusmäßigen Wartung sein oder wenn Abweichungen im laufenden Betrieb auftreten – was immer wieder der Fall sein kann, denn Hochpräzisionsgreifer reagieren sehr empfindlich auf kleinste Veränderungen oder nur geringe Berührungen. Da das Einmessen des Roboters vollautomatisch nach Starten der entsprechenden Routinen abläuft, kann er die ursprüngliche Genauigkeit der Anlage jederzeit ohne besonderes Experten-Know-how wieder herstellen.

Über die Anlage

Die beschriebene Anlage zur Fertigung von Nadeln ist Teil einer integrierten Fertigungslinie für die Herstellung von Single-Use-Applikatoren in der Augenheilkunde. Für die Produktion der geforderten Stückzahlen verfügt die IMSTec-Lösung über zwei identische Fertigungslinien. Die zugeführten Kanülen werden in folgenden Schritten weiterbearbeitet: Separieren in Vereinzelungsmagazinen, Positionieren über Ausdreheinheiten vor einem Sensor, Spritzgießen, Reinigen und Vermessen auf einem ersten Rundtakttisch, Reinigen und optisches Prüfen des Kanals mit mehreren Kameras auf einem zweiten Rundtakttisch, Drehen der Nadeln in die Senkrechte, optisches Prüfen auf Geradheit, auf Beschädigungen der Nadelspitze und des Anschliffs sowie auf Verunreinigungen mit mehreren Kameras und schlussendlich das Übergeben der Gutteile an eine weitere Anlage zu Weiterverarbeitung.