Greifer Flexible Greiferbacken mit konfigurierbaren Fingerstellungen für wechselnde Produkte

In der Handhabungstechnik ist eine flexible Automatisierung gefragt. Für Greifer bedeutet dies eine flexible, aber nicht zu komplexe Lösung zu finden. Bei Greiferbacken mit konfigurierbaren Fingerstellungen sind Luftkissen, die mit Luft aufgepumpt werden, ein Ansatz. Die Greiferbacken aus gewebeverstärktem Gummi schmiegen sich an das Objekt an und bieten hervorragende Reibeigenschaften.

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Schages GmbH & Co.KG

SMW-AUTOBLOK Spannsysteme GmbH

SCIO Automation GmbH

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Verkürzte Produktlebenszyklen und steigende Variantenvielfalt stellen immer höhere Anforderungen an die Handhabungstechnik. Besonders im Hinblick auf den Umrüst- und Engineeringaufwand ist eine flexible Automatisierung wünschenswert. Die Möglichkeiten, flexible Greifer zu entwickeln, sind vielfältig. Will man aber eine technisch sinnvolle und zugleich wirtschaftliche Lösung, muss man schon tiefer in die Trickkiste greifen.

Je nachdem wie oft sich das zu handhabende Produkt während des Fertigungs-, Montage- oder Logistikprozesses ändert und wie groß diese Änderungen sind, kommen unterschiedliche Prinzipien der Erzeugung von Flexibilität zum Einsatz. Die gängigsten sind der Greiferwechsel, der Einsatz von Mehrfachgreifern oder wahlfreie Greiferbacken (Bild 1).

Der Greiferwechsel kostet meistens viel Zeit

Je nach verwendetem Prinzip erschweren die folgenden Einflüsse häufig dessen Umsetzung:

• Lange Wechselzeiten, da nicht nur der reine Wechselvorgang, sondern auch die Wege des Handhabungssystems zum Greiferbahnhof berücksichtigt werden müssen.
• Erhöhter Platzbedarf, weil die verschiedenen Greifsysteme oder Wechselbacken vorgehalten werden müssen.
• Hohes Greifergewicht, welches die Dynamik des Gesamtsystems stark limitiert oder zu Mehrkosten beim Handhabungssystem führt.
• Limitierte Flexibilität, da meist nur zwischen zwei und fünf Varianten abgedeckt werden.

Flexible Greiferbacken mit reversibel veränderbaren Wirkflächen können zu sehr flexiblen und kompakten Greifern führen. Sie bringen aber auch, wie am Beispiel künstlicher Hände gut zu erkennen ist, ein hohes Maß an Komplexität mit sich. Die Lösung für dieses Dilemma liefern passive, selbstadaptive Prinzipien, gepaart mit konfigurierbaren Fingerstellungen.

Luftkissengreifer schmiegen sich an die Objektkontur

Ein interessanter Ansatz ist die Verwendung von Luftkissen, die für den Greifvorgang mit Luftdruck aufgepumpt werden (Bild 2). Die aus gewebeverstärktem Gummi bestehenden Greiferbacken schmiegen sich an die Objektkontur an und bieten materialbedingt hervorragende Reibeigenschaften. Dabei entwickeln sie enorme Greifkräfte. Beispielsweise erzeugt ein 5 cm × 5 cm großes Kissen bei 5 bar Druckluft eine Greifkraft von 1250 N. Durch die Integration von Rückschlagventilen können solche Greifer auch gegen den Werkstückverlust bei Druckabfall abgesichert werden.

Egal, ob manuell zum Beispiel mit einem Balancer oder am Flansch eines Industrieroboters, ein definierter Zustand der Kissen bei der Positionierung an das Greifobjekt muss gewährleistet sein. Vakuumejektoren, wie sie bei Vakuumgreifern eingesetzt werden, machen das Luftkissen flach wie eine Flunder. Zudem kann man die Kissen in vielen Varianten anordnen und sie bewegen sich bezüglich Kosten und Gewicht meist in sehr interessanten Bereichen.

Geometrische Unterschiede müssen überschaubar sein

Diese sehr einfache und intuitive Art der Flexibilität bietet sich hervorragend für ein Produktspektrum an, bei dem die Anzahl der Varianten zwar groß, aber die geometrischen Unterschiede überschaubar sind. Schwankt die Objektform stark, muss man häufig mit unterschiedlichen Griffen, das heißt mit einer Änderung der Anordnung der Finger innerhalb des Greifers reagieren.

Untersuchungen am Fraunhofer IPA haben ergeben, dass ein enormes Objektspektrum bereits mit drei Grundgriffen abgedeckt werden kann:

• dem 2-Finger-Griff,
• dem 3-Finger-parallel-Griff und
• dem 3-Finger-zentrisch-Griff.

Die IPA-Pneumatik-Hand (Bild 3) ist in der Lage, mit nur vier pneumatischen Aktoren diese drei Griffe zu konfigurieren und dabei zwei Finger unabhängig voneinander zu öffnen und zu schließen. Eine weitere Besonderheit der IPA-Pneumatik-Hand ist der in Greifrichtung feststehende Daumen. Beobachtet man die Greifbewegung der menschlichen Hand, stellt man fest, dass der Daumen im Vergleich zu den restlichen Fingern eine sehr kleine Greifbewegung ausführt. Um Aktorik einzusparen, wurde dieses Merkmal in Extremform auf die IPA-Pneumatik-Hand übertragen. Lediglich die Verschiebung des Daumens als Gegenpol für den 2-Finger- und den 3-Finger-Griff erfolgt durch einen Zylinder (Bild 3). Braucht man weitere Flexibilität gegenüber sich ändernden Objektgeometrien, muss man wieder den Weg über die Finger gehen. Während künstliche Hände, wie sie in der Forschung oft vorzufinden sind, über aktive Fingerglieder verfügen, wird am Fraunhofer IPA auf aktorlose Prinzipien gesetzt.

Länge der Greiferfinger kann angepasst werden

Der IPA-Hand II (Bild 4) liegen bezüglich der Anordnung der Finger dieselben Überlegungen wie bei der IPA-Pneumatik-Hand zugrunde. Im Gegensatz zu der Pneumatikvariante verfügt sie nur über drei elektrische Antriebe und die Finger wurden in Form einer selbstadaptiven Kinematik ausgeprägt. Diese schmiegt sich bei Krafteinwirkung um das Objekt, was zu einer hohen Anzahl an Kontaktpunkten und damit zu sehr sicheren Griffen führt. Anzahl und Länge der Glieder können dabei auf das zu greifende Objektspektrum nahezu beliebig angepasst werden.

Diese am Fraunhofer IPA entwickelten Demonstratoren, die in verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsprojekten entstanden sind, sollen die Möglichkeiten bei der Entwicklung flexibler Greifsysteme verdeutlichen. Auf Basis dieser Erkenntnisse und Grundprinzipien in Verbindung mit innovativen Fertigungsverfahren lassen sich weitere Konzepte für flexible und niedrig komplexe Greifsysteme ableiten. Um eine möglichst optimale Lösung zu finden, muss eine gründliche Analyse des Objektspektrums und eine breit aufgestellte Konzeptstudie durchgeführt werden.

Hat man schlussendlich ein Konzept entwickelt, bleiben meist noch offene Fragen: Kann man das Konzept so auch umsetzen? Wie schnell ist der Greifvorgang wirklich? Werden wirklich alle relevanten Objektgeometrien durch das Konzept abgedeckt?

Die einzig sinnvolle Antwort auf diese doch sehr kritischen Fragen ist eine Machbarkeitsuntersuchung. Um ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis zu erreichen, müssen zuvor zwei wesentliche technische Fragen geklärt werden:

• Ist das Greifsystem ohne Detailkonstruktion mit einfachen fertigungstechnischen Verfahren in ausreichender Qualität herzustellen?
• Kann die Machbarkeit mittels einer Simulation kostengünstiger überprüft werden?

Müssen beide Fragen mit nein beantwortet werden, muss man ins kalte Wasser springen und die Konstruktion aller Details angehen. Glücklicherweise kann man im größten Teil der Fälle durch einfache Funktionsmuster den Erfolg der Entwicklung im wahrsten Sinne des Wortes greifbar und vor allem auch messbar machen. MM

Dipl.-Ing. Kai Wegener war bis Januar 2007 Gruppenleiter der Abteilung Robotersysteme beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Dipl.-Ing. Hendrik Mütherich ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter.

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