Maschine mit Sinnesorgan

Mechatronik

Aktorik/Sensorik – Intelligente Sensoren machen Greifer zu feinfühligen Helfern. Damit sichern sie die Produktionsqualität, helfen Anlagenstörungen zu vermeiden und verkürzen die Fertigung.

15. Oktober 2009

Sensoren sind die entscheidenden Sinnesorgane in mechatronischen Systemen. Während mechanische Greifmodule und andere Aktoren früher gefühllos und stur exakt vordefinierte Aufgaben erledigten, agieren sie heute mithilfe intelligenter Sensoren als feinfühlige und flexible Helfer im Fertigungsprozess: Sie versorgen die Anlage mit wichtigen Informationen über den Prozess, die Produkte oder Bauteile sowie die Anlagenfunktion. Im Bereich intelligente Sensoren bietet der Spann- und Greiftechnikspezialist Schunk aus Lauffen am Neckar sowohl Kraftmesssysteme als auch Sensoren zur Positionserfassung an. Kraftmesssysteme, wie etwas das FMS von Schunk, messen – der Name sagt es bereits – Kräfte, die über sie fließen. Der Vorteil: Sie sorgen für eine ausgeglichene Greifkraft, die das komplette System schont. Daneben kann mithilfe von Kraftmesssystemen bei einer vorbeugenden Instandhaltung in regelmäßigen Zyklen die Funktionsfähigkeit von Greifern geprüft werden. Beides erhöht die Prozesssicherheit und vermeidet unerwartete und teure Stillstandszeiten während des laufenden Betriebs.

Erhöhte Prozesssicherheit

Und so funktionieren Kraftmesssysteme: Bei einem Greifer etwa werden die Greiffinger mit Kraftmessbacken ausgestattet. Beim erstmaligen Teachen und bei regelmäßigen Kontrollmessungen erfassen die Backen die auf die Finger wirkenden Greifkräfte. Mithilfe dieser Daten lässt sich beispielsweise beim Greifen fest fixierter Werkstücke vermeiden, dass das Robotersystem durch ein einseitiges Greifen permanent bei jeder einzelnen Greifoperation Belastungen ausgesetzt ist. Denn bereits die minimale Fehlstellung eines Greifers von ein bis zwei hundertstel Millimeter würde den Roboterarm bei jedem einzelnen Greifvorgang mit der vollen Greifkraft in eine Richtung belasten. Auf Dauer würde das System so an Präzision verlieren und schneller verschleißen als bei einem kraftkontrollierten Zugriff. Außerdem lässt sich mit Kraftmessbacken sowohl die statische als auch die dynamische Greifkraft präzise einstellen und kontrollieren. Damit kann der Greifer selbst bei hochdynamischen Bewegungen die Bauteile sicher fassen.

Als Sensoren zur Positionserfassung fertigt Schunk neben induktiven Näherungsschaltern, die den gegenwärtigen Zustand von Automationskomponenten abfragen, auch kabellose Sensorsysteme, pneumatisch angetriebene Sensoren, Sensoren auf Hall-Basis für mehr als zwei Schaltpunkte, Positioniersysteme für miniaturisierte Greifer und die hochauflösenden, analogen Sensoren APS: Die kabellose Funk-Sensorik RSS umgeht sämtliche mechanischen Hürden wie umfangreiche Abdichtungen, Kabelpanzerungen, Zugentlastungen und den Einsatz beschränkt haltbarer Schleifringe für Rotationsachsen. Daher empfiehlt sich das System für Bearbeitungszentren, Dreh- oder Schleifmaschinen, für beengte Handhabungsapplikationen, aber auch für widrige Umgebungen.

Keine Kabelstörungen mehr

Also immer dann, wenn Sensorkabel zu einem entscheidenden Hindernis werden können. Denn die Kabelführung erweist sich gerade bei modernen, hochdynamischen Maschinen mehr und mehr als Problem. Schließlich gelten Kabelstörungen als einer der häufigsten Gründe für Anlagenstörungen, bei denen die Fehlersuche aufwendig und zeitintensiv ist. Insbesondere in der Fertigungsautomation gewinnt daher das funkbasierte System zur Überwachung des vollautomatischen Werkstückwechsels zunehmend an Bedeutung. Die Sensoren überwachen dabei den Hub der Greiferbacken und melden den Zustand an einen Sender. Dieser übermittelt die Information per Funk an einen Empfänger, der mit der Steuerung verbunden ist. Mit seiner Hilfe kann die Taktzeit verkürzt und die Sicherheit für Mensch, Maschine und Prozess deutlich erhöht werden.

Spezialist für extreme

Wenn hohe Temperaturen herrschen, wenn zum Schutz vor Explosionen keinerlei elektrische Bauteile zulässig sind, wenn aggressive Flüssigkeiten, extreme Mengen heißer Späne oder Kühlschmiermittel zu verkraften sind, können konventionelle Sensorsysteme überfordert sein. Bei pneumatisch angetriebenen Aktoren ermöglicht in diesen Extremsituationen das fluidische Abfragesystem PA3 von Schunk eine präzise und zuverlässige Aussage über deren aktuelle Position oder den Prozessstatus. Der Aktor erhält dafür lediglich zwei zusätzliche Pneumatikanschlüsse. Über eine einzige zusätzliche pneumatische Messleitung und ein UND-Ventil wird die Information »offen«, »gegriffen« oder »geschlossen« an die Steuerung zurückgeführt. Dies geschieht komplett ohne den Einsatz elektrischer Sensoren oder zusätzlicher Kabel. Wenn das Sensorsystem zwischen drei und fünf unabhängige Schaltpunkte ermöglicht, gewinnt der Aktor, oder im Speziellen das Greifmodul zusätzliche Funktionalität. Der Greifer kann dann parallel auch zum Prüfen und Sortieren von Teilen eingesetzt werden. Die flexiblen Positionssensoren FPS bieten genau diese Möglichkeit. Sie ermitteln die Position der Greiferbacken und geben digital aus, in welchem der fünf vordefinierten Positionsbereiche sich die Backen befinden. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Teile automatisch erkennen und sortieren. Ebenso einfach ist eine durchgängige Qualitätskontrolle möglich, bei der Gutteile von Teilen außerhalb eines frei definierbaren Toleranzbereichs unterschieden werden. Bei miniaturisierten Greifmodulen ist die Positionsabfrage eine besondere Herausforderung. Wegen ihrer Größe scheiden herkömmliche Sensorsysteme aus. Während bisher eine Detektion des Greifers daher nur über eine separate Kamera möglich war, können in jüngster Zeit in sauberer Umgebung auch optische Sensoren diese Aufgabe übernehmen. Die optischen Sensoren ONS von Schunk senden über einen Lichtwellenleiter Licht aus. Über eine Auswertung der Menge des reflektierten Lichtes erkennt der Sen-sor den Abstand zur Reflektionsfläche und damit die Positionen von zum Beispiel kleinen Greiferbacken. Zur Spitzenklasse unter den Positioniersensoren gehören die hochauflösenden analogen Sensoren APS von Schunk, die Greifmodule zusätzlich in eine Präzisionsmessstation verwandeln.

Hundertprozentige Kontrolle

Mit extrem hoher Genauigkeit von bis zu 0,003 Millimeter vermisst der Aktor im laufenden Prozess jedes einzelne gegriffene Teil. Mithilfe der SPS lassen sich beliebig viele Schaltpunkte definieren und damit beliebig viele Teile beziehungsweise Toleranzbereiche unterscheiden. Die hochauflösenden Positioniersensoren ermöglichen eine hundertprozentige Teilekontrolle und können eine komplette Messstation inklusive der für die Vermessung notwendigen Prozessschritte ersetzen. Das mechanische, analoge System aus Sensor und Elektronik erfasst dabei hochgenau die Position der Greiferbacken.

Bei langhubigen Bewegungen wird die Bewegung über eine schiefe Ebene an den Sensor übergeben, da dessen Messweg nur wenige Millimeter lang ist, dieser kurze Weg aber extrem hoch aufgelöst wird. Analoge Positioniersensoren verfügen über eine deutlich höhere Genauigkeit.

Fakten

- Die Schunk GmbH & Co. KG mit Sitz in Lauffen am Neckar wurde 1945 gegründet und beschäftigt heute weltweit 1.700 Mitarbeiter.

- Das Produktportfolio umfasst die Spanntechnik (z.B. Drehfutter, Stationäre Spannsysteme, Werkzeughaltersysteme), Automatisierungstechnik (z.B. Greifmodule, Drehmodule, Roboterzubehör) sowie Branchenlösungen.

Bruno Fellhauer, Marcel Nagel, Schunk/aru

Erschienen in Ausgabe: 07/2009