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Greifer im Automatisierungssystem

Den richtigen Griff finden

Bei der Planung eines Automatisierungssystems steht selten der Greifer im Vordergrund. Dabei kann eine genau abgestimmte Wahl die Leistung, Maschinenbetriebszeit und Safety der Applikation stark beeinflussen. Der folgende Artikel zeigt, was alles zu beachten ist.

Bild: Destaco Europe GmbH

Bild: Destaco Europe GmbH

Wenn man sich ‚im Griff hat‘, ist damit gemeint, die eigenen Emotionen zu kontrollieren und sich ruhig zu verhalten. In der Welt der Fertigung kann die Fähigkeit, Dinge fest und zuverlässig zu greifen und zu halten, für einen erfolgreichen Produktionsablauf entscheidend sein. Dennoch schenken Entwickler von Pick&Place-Automatisierungssystemen der Wahl des Greifertyps für ihr System oft wenig Aufmerksamkeit. Es gibt eine Fülle von unterschiedlichen Greifern, werden Entscheidungen also aus Bequemlichkeit, Gewohnheit oder auf Basis einer pauschalen Endnutzerspezifikation getroffen, können die Ergebnisse des fertigen Systems unter ihren Möglichkeiten bleiben. Tatsächlich gibt es eine ganze Reihe von Faktoren, die man bei der Wahl eines Greifers beachten sollte. Dazu zählen die Auswirkungen von Schmutz, Abrieb, Öl, Schmiermittel, Schneidflüssigkeit, Temperaturschwankungen, Sauberkeit und menschlicher Interaktion auf den Betrieb eines Automatisierungssystems. Ein Produkt von der Stange oder aus einem Katalog greift womöglich zu kurz. Dieser Artikel beschreibt die Faktoren, die es für eine fundierte Auswahl zu berücksichtigen gilt.

Betriebsumgebung

Über 95 Prozent der heute in der automatisierten Fertigung eingesetzten Greifer sind pneumatisch betrieben. Obwohl vereinzelt auch elektrische Greifer eingesetzt werden, sind pneumatische Greifer seit vielen Jahren der Standard und werden es auf Sicht auch bleiben. Pneumatische Greifer werden generell für drei elementare Aufgaben eingesetzt. Die erste Aufgabe ist das Greifen und Halten eines Produkts oder einer Komponente beim Verlagern, z.B. von oder zu einem Förderer, einer Arbeitsstation oder Maschine. Dabei kann es sich um einen simplen Vorgang handeln, wie das Aufnehmen einer Aspirinflasche von einem Förderband und das Verstauen der Flasche in einer Schachtel. Die zweite Aufgabe ist das Ausrichten eines Teils, oder die korrekte Positionierung des Teils oder Produkts in Vorbereitung auf den nächsten Arbeitsschritt. In unserem Beispiel würde ein Greifer die Aspirinschachtel umdrehen, damit ein Etikett angebracht werden kann. Die dritte Aufgabe ist das Greifen eines Teils während es bearbeitet wird. In unserem Beispiel könnte ein robotergeführter Greifer die Aspirinschachtel festhalten, während sie verschlossen oder etikettiert wird. Diese unkompliziert klingenden Vorgänge können nur dann effektiv funktionieren, wenn der richtige Greifertyp für die jeweiligen Einsatzbedingungen gewählt wurde. Im weitesten Sinn gibt es zwei Arten von Betriebsumgebungen, die man besonders berücksichtigen muss.

Überdruck und Schmiernippel

Unrein: In unreinen Umgebungen müssen Verunreinigungen des Greifers vermieden werden, damit er stets störungsfrei funktioniert. Die Umgebung kann durch Schmutz, Abrieb, Öl und Schmiermittel stark verunreinigt sein. Temperaturschwankungen, in der Regel höhere Temperaturen, können die Funktion ebenfalls beeinträchtigen. Solche Umgebungsbedingungen sind typisch für Anwendungen in der Automobilfertigung, in Gießereien, sowie in der zerspanenden und allgemeinen industriellen Fertigung.

Viele Greifermodelle besitzen Spülanschlüsse. Dabei handelt es sich um einen zusätzlichen Luftanschluss am Greiferkörper mit einem Kanal ins Innere des Greifers. Durch Saugluft entsteht im Greifergehäuse ein Überdruck, der das Eindringen von Verunreinigungen ins Greiferinnere verhindert. In extrem rauen Umgebungen können zur vorbeugenden Wartung auch Schmiernippel am Greifer nötig sein, durch die verschmutztes Schmiermittel abgeführt und/oder frisches Schmiermittel zugeführt werden kann.

Greifer führt Material zur Maschine. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Greifer führt Material zur Maschine. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Einsatz im Reinraum

Rein: In reinen Umgebungen gilt es sicherzustellen, dass vom Greifer oder aus dessen Inneren nichts in die Arbeitsumgebung gelangt, was das Werkstück oder den Prozess verunreinigen könnte. Das ist typischerweise in der Medizin-, Pharma-, Elektronik- und Lebensmittelindustrie der Fall, wo nur extrem geringe Schwebstoff- oder Oberflächenverunreinigungen zulässig sind.

Zahlreiche Greifer besitzen eine Klassifizierung für den Einsatz in Reinraumumgebungen. Viele Greifermodelle besitzen Absauganschlüsse. Wie die Spülanschlüsse haben diese Anschlüsse oftmals eine Doppelfunktion. Der Unterschied besteht darin, dass Absauganschlüsse eventuell im Greifer vorhandene Verunreinigungen auffangen, so dass sie nicht in die Umgebung gelangen. Dazu wird am Anschluss ein geringer Unterdruck erzeugt, durch den saubere Luft aus der Arbeitsumgebung durch den Greifer und anschließend aus der Arbeitszelle geleitet wird.

Den Greifer abschirmen

Abschirmungen sind in reinen und unreinen Arbeitsumgebungen ein Mittel, um die Zuverlässigkeit zu steigern. Standardisierte oder anwendungsspezifische Abschirmungen können in unreinen Umgebungen Verunreinigungen vom Inneren des Greifers fernhalten, oder in reinen Umgebungen den Austritt von Schmiermittel oder anderen Schmutzstoffen aus dem Greiferinneren verhindern. Abschirmungen gibt es in unterschiedlichen Formen, von einfachen Formblechen, über flexible Muffen und Balge, bis hin zu Abstreiflippen. Die Abschirmungen können als Teil des Greifers – serienmäßig, optional oder als Sonderzubehör – angeboten oder vom Anwender im Rahmen der Maschinenintegration hinzugefügt werden. Zu beachten ist, dass man den Greifer so ausrichten sollte, dass möglichst wenige Schmutzstoffe an seine Bewegungsflächen oder exponierten Öffnungen gelangen. Durch die Verwendung von Materialien und Beschichtungen wie Edelstahl, Vernickelung und Eloxalhartbeschichtung kann verhindert werden, dass Greifer korrodieren oder Schmutzpartikel ein Festfressen in Gang setzen. Im Reinraum- oder bei der Lebensmittelverarbeitung lässt sich so eine Oxidation oder eine Bildung von Bakterien verhindern, die in die Arbeitsumgebung gelangen könnten. Es gibt hochtemperaturgeeignete, lebensmittelverträgliche oder wasserabweisende Schmierstoffe, die je nach Abwaschbarkeitsanforderung eingesetzt werden. Für den Einsatz in unreinen oder extrem heißen Umgebungen gibt es zudem passende pneumatische Dichtungen. Neben Dichtungen für Standardanwendungen aus Buna-N (Nitril) gibt es solche aus Viton und Silikon für den Einsatz bei höheren Temperaturen. Greifer, die in extrem heißen oder unreinen Umgebungen eingesetzt werden sollen, besitzen mitunter sogar Metalldichtungen.

Greifer mit zwei parallelen Backen beim Einsatz in der Lebensmittelindustrie. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Greifer mit zwei parallelen Backen beim Einsatz in der Lebensmittelindustrie. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Ausführung je nach Umgebung

Die Bauweise des Greifers kann dessen Leistungsfähigkeit je nach Betriebsumgebung ebenfalls beeinflussen. Ein Greifer besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Sein Körper einschließlich des Mechanismus für die Kraftübertragung, Backen und Finger. In der Regel entwickelt und baut der Greiferhersteller nur den Körper und die Backen – die ‚Ansteuerung‘ – und der Maschinenbauer oder Anlagenbetreiber steuert die anwendungsspezifischen Finger zum Greifen oder Umschließen des jeweiligen Teils bei. Bei der Wahl eines Greifers sollte man mehrere Faktoren beachten, darunter Fingerlänge, Greifkraft, Hub, Betätigungszeit und Genauigkeit. In der Regel gibt der Hersteller diese Spezifikationen für jedes Greifermodell an. Die jeweilige Betriebsumgebung sollte bei der Wahl der Greiferausführung ebenfalls berücksichtigt werden. Der Backenauflagemechanismus (Lagertyp) kann sich auf die Funktion auswirken. Gleiches gilt für die Innenkonstruktion (Mechanismus für die Kraftübertragung vom Kolben auf die Backe). Einfach ausgedrückt: Verschiedene Greifer können sich trotz gleicher Größe und Funktion in ihrer Bauweise grundlegend unterscheiden, weshalb sich einige besser als andere für den Einsatz in unterschiedlichen Betriebsumgebungen eignen.

Greifer mit drei Backen, um ein rundes Teil zu fassen. Finger aus Plastik verhindern Kratzer. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Greifer mit drei Backen, um ein rundes Teil zu fassen. Finger aus Plastik verhindern Kratzer. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Gängige Backenauflagen

Die folgenden Backenauflagemechanismen sind gebräuchlich:

Gleitlager (Oberflächenkontakt): Dazu gehören flache Fläche-zu-Fläche-Lager und Zylinderlager (Buchsen). Diese Lager sind stoßbelastbar und bieten eine exzellente Backenauflage. Außerdem müssen sie nicht nachjustiert werden und bleiben bei eng tolerierter Bearbeitung hochgenau.

Rollenlager (Linienkontakt): Zu diesem reibungsarmen Lagertyp gehören Kreuzrollenlager und Dual-V-Lager. Für hohe Genauigkeit lassen sich diese Lager vorspannen und bei Bedarf so nachjustieren, dass über die gesamte Lebensdauer des Greifers kaum Lagerspiel auftritt. Dieser reibungsarme Lagertyp erleichtert eine kontrollierte Anpassung der Greifkraft durch Regeln des Luftdrucks.

Kugellager (Punktkontakt): Dieser Lagertyp ist extrem reibungsarm und eignet sich deshalb gut für Präzisionsanwendungen und für den Einsatz mit sehr niedrigen Leitungsdrücken bei Anwendungen, die eine ruhige, gleichmäßige Bewegung erfordern.

Bild: Destaco Europe GmbH

Bild: Destaco Europe GmbH

Gängige Antriebe

Die Art der Kraftübertragung, oder die allgemeine Ausführung des Greifermechanismus, gilt es ebenfalls zu beachten:

Doppelkeilantrieb: Der Keilmechanismus bietet eine große Oberfläche für die Kraftübertragung auf die Backen bei gleichmäßiger Verteilung der Kraft. Die gebräuchliche Einfachkolben-Ausführung ermöglicht überdies ein hohes Greifkraft-zu-Größe-Verhältnis. Ein weiterer Vorteil besteht in der immanenten Synchronisierung der Backenbewegung, die einen zusätzlichen Mechanismus überflüssig macht. Der Doppelkeilmechanismus ist sehr robust und stoßbelastbar.

Direktantrieb: Bei diesem Mechanismus ist der Kolben über einen Stift oder eine Stange direkt mit der Backe verbunden. In der Regel sind zwei Kolben und ein Gestänge für die Backensynchronisierung vorhanden. Dieser Mechanismus ist einfach, kostengünstig und leicht abzuschirmen.

Nockenantrieb: Hier wird die Kraft direkt und synchron auf die Backen mit Linienkontakt übertragen. Der Mechanismus besitzt einen Drehpunkt pro Backe und kommt mit einem Minimum von beweglichen Teilen aus. Die mechanischen Vorteile der Nocke ermöglichen eine hohe Greifkraft bei relativ kompakter Bauweise. Dieser Mechanismus kommt meistens bei Greifern mit Winkelbacken zum Einsatz.

Zahnstangenantrieb: Dieser Mechanismus eignet sich besonders für Präzionsanwendungen in reinen Umgebungen. Der synchronisierte Antrieb überträgt die Kolbenkraft über eine Zahnstange, wobei an den Antriebsteilen so gut wie kein Verschleiß auftritt. Die Ausführung der Finger und die Greifmethode sind bei der Wahl des Greifers ebenfalls zu bedenken:

Reibung: Das ist die gebräuchlichste Greifmethode, bei der anliegende Kontaktflächen das Werkstück durch Reibungskraft festhalten. Bei einem Druckluftausfall fällt das Teil herunter. Für die Handhabung von öligen oder schmierigen Teilen sind Reibungsfinger ungeeignet. Bei dieser Methode sind in der Regel höhere Greifkräfte (das heißt ein größerer Greifer) erforderlich. Außerdem muss man die Grifffläche der Finger beachten. Durch Hartmetallauflagen an der Fingeroberfläche lässt sich die Griffigkeit zwar insgesamt verbessern, allerdings besteht dann das Risiko einer Beschädigung von zerbrechlichen Teilen. Für die Handhabung von zerbrechlichen Teilen kann man an den Fingern Urethan-Auflagen anbringen, welche die Greifreibung ohne Beschädigungsrisiko erhöhen.

Formschlüssig: Die Finger sind so profiliert wie das Teil, also rund zu rund. Der Finger umschließt das Teil kraft- und formschlüssig, wobei der Finger die Greifkraft generiert. Bei einem Druckluftausfall können sich Finger aufgrund der Schwerkraft öffnen und das Teil kann herunterfallen.

Eingehaust: Die Finger sind so profiliert wie das Teil, das heißt rechteckig zu rechteckig. Bei dieser Methode greifen die Finger das Teil oder nähern sich ihm nur an, und die Einhausung hält das Teil in Position. Dies gilt allgemein als die sicherste Methode, weil bei einem Druckverlust das Teil nicht herunterfällt, sofern keine externe Kraft darauf einwirkt. Bei der Wahl der Fingerausführung sollte die Sicherheit immer höchste Priorität haben. Es gibt unterschiedliche Methoden, um bei einem Druckluftausfall ein ungewolltes Lösen des Teils vom Greifer zu verhindern und ein damit verbundenes Verletzungsrisiko oder das Risiko einer Beschädigung des Teils oder der Maschine auszuschalten. Eine Option ist eine Innenfeder, die den Kolben vorspannt und so die Finger oder den Backen am Teil festhält. Allerdings ist dabei auf die adäquate Federkraft zu achten. Man kann an den Anschlüssen auch ein zusätzliches externes Sicherheitsventil montieren, das in der offenen oder geschlossenen Position die Druckluftzufuhr zum Greifer sperrt. An manchen Greifern lassen sich Absenksperren anbringen, die sich bei einem Druckluftverlust automatisch an den Führungsstangen der Backen festklemmen.

In manchen Applikationen sind Maßanfertigungen die beste Wahl. (Bild: Destaco Europe GmbH)

In manchen Applikationen sind Maßanfertigungen die beste Wahl. (Bild: Destaco Europe GmbH)

Alle Faktoren begreifen

Entwickler und Ingenieure, die bei der Wahl des Greifers die nötige Sorgfalt haben vermissen lassen, müssen sich vielleicht sagen lassen, sie hätten die Sache nicht richtig ‚im Griff‘ gehabt. Das kann der Fall sein, wenn die Leistung eines Automatisierungssystems wegen der Wahl von falschen Greifern zu wünschen übrig lässt. Jedes automatisierte Fertigungssystem ist nur so leistungsfähig und zuverlässig wie sein schwächstes Glied. Damit nicht der Greifer das schwächste Glied ist, muss man unter Berücksichtigung der Betriebsumgebung auf die richtige Spezifikation des Greifers achten und dabei auch die zahlreichen verfügbaren Optionen einschließlich kundenspezifischer Lösungen in Betracht ziehen, die der Hersteller möglicherweise anbietet. Nur wenn alle diese Faktoren berücksichtigt wurden, kann der Anwender sicher sein, dass der beste Greifer für seine Anwendung gewählt wurde.


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