Lineartechnik Leichter Schleifen dank Cobot

Autor / Redakteur: Markus Brändle / Stefanie Michel

Cobots unterstützen den Menschen bei manuellen Arbeiten. Oft nutzen sie Zahnradgetriebe, die einen hohen Reibungswert haben. Ersetzt man diese durch Aktuatoren mit Kugelgewindetrieb und Seilzug, verbessert sich die Kraft und Bewegungsgenauigkeit, die Trägheitsmomente sinken.

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Yvan M. Measson, CEO von Isybot, führt vor, wie ein Cobot die Schleifarbeiten an einer Flugzeugkabine unterstützt.
Yvan M. Measson, CEO von Isybot, führt vor, wie ein Cobot die Schleifarbeiten an einer Flugzeugkabine unterstützt.
(Bild: Thomson)
  • Cobots sollen dem Mitarbeiter die Arbeit erleichtern. Der Mitarbeiter bleibt aber wichtiger Teil des Bearbeitungsprozesses.
  • Für solche „Helfer“ hat Isybot Cobots entwickelt, die Kugelgewindetriebe und Seilzüge statt Zahnradgetriebe nutzen.
  • Durch Einsatz der Kugelgewindetriebe soll sich die Kraft und Bewegungsgenauigkeit der Systeme deutlich verbessern. Zudem sind sie platzsparend und energieeffizient.
  • Isybot nutzt für seine Cobots Kugelgewindetriebe von Thomson, weil dieser Hersteller die höchsten Tragzahlen anbietet und sie mit einem geringen Reibungswert kombiniert.

Kollaborative Roboter, oder kurz „Cobots“, bieten die Kraft, Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit von Industrierobotern, ergänzt um das Urteilsvermögen und die Flexibilität menschlicher Bediener. Mehr und mehr werden sie in der Massenproduktion eingesetzt, wo sich wiederholende Hubbewegungen ausgeführt werden, aber dennoch manuelle Eingriffe erforderlich sind. Während Cobots seit mindestens einem Jahrzehnt immer häufiger genutzt werden, waren die Einsatzmöglichkeiten bislang durch die Zahnradgetriebe eingeschränkt, mit denen die Bewegungen gesteuert wurden. Der französischer Cobot-Hersteller Isybot hat nun jedoch eine Lösung entwickelt, die stattdessen Aktuatoren mit Kugelgewindetrieb und Seilzug nutzt. Damit will der Hersteller einen neuen Maßstab in puncto Effizienz und Sicherheit für Cobots setzen.

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„Auf meiner Suche nach Anwendungsmöglichkeiten für kollaborative Roboter konnte ich feststellen, dass die Automatisierung im Allgemeinen große Fortschritte macht. Manuelle Arbeiten – wie das Schleifen – haben sich demgegenüber jedoch seit 30 Jahren kaum weiterentwickelt. Das weckte mein Interesse an der Entwicklung einer Technologie, die manuelle Tätigkeiten unterstützt, aber nicht ersetzt“, erklärt Yvan M. Measson, CEO von Isybot.

Cobots als Helfer für den Mitarbeiter

Isybot-Cobots zielen auf Einsatzbereiche ab, deren Automatisierung bislang nicht möglich oder nur schwer realisierbar war. Die Cobots verbessern die Leistung der Mitarbeiter in vielerlei Hinsicht:

  • Sie wirken einer Ermüdung entgegen,
  • liefern zusätzliche Hubkraft,
  • erhöhen die Präzision oder
  • verbessern die Produktqualität.

Darüber hinaus sichert die Verwendung eines Cobots die Attraktivität der manuellen Arbeiten, indem der Arbeiter sozusagen zum „Cobot-Piloten“ wird.

Beispielsweise muss in den letzten Arbeitsschritten bei der Fertigung eines Flugzeugs ein Exzenterschleifer manuell über die Außenhülle des Flugzeugs bewegt werden, bis sie sich glatt anfühlt. Mit Cobot-Unterstützung führt der Arbeiter wie gehabt das Schleifwerkzeug über die Fläche, wobei der Cobot-Arm jedoch das Gewicht der Maschine trägt. Ebenso ist es möglich, dass der Cobot die vom Arbeiter vollführte Bewegung erlernt und sie so oft wiederholt, wie vom Arbeiter vorgegeben.

Zu den weiteren Möglichkeiten, wie Cobots Produktivität und Ergonomie verbessern können, gehört

  • die Unterstützung bei der Teilebestückung an einem Montageband,
  • die Durchführung einfacher Arbeitsabläufe oder
  • jede Art schwerer Hubvorgänge.

Cobots können zugunsten einer gesteigerten Produktivität sowohl im Zusammenspiel mit Menschen arbeiten als auch völlig autonom. Wenn ein Cobot den anstrengendsten Teil einer Arbeit übernimmt, sinkt für die Arbeiter die Belastung auf ihren Bewegungsapparat und sie können sich intensiver auf die Qualitätskontrolle konzentrieren. Auf diese Weise wird die Rolle der Arbeiter gestärkt, was letztlich die Personal-Fluktuation reduziert.

Das größte Interesse an dieser Technologie zeigt sich in Industriebranchen, in denen die Arbeiter immer wieder Lasten von 35 kg oder mehr manuell handhaben müssen. Hierzu gehören der Flugzeugbau, Automobilindustrie, Landwirtschaft, Schiffs- und Eisenbahnbau, Rüstungsindustrie sowie der Bau von Produktionsanlagen. Cobots sind zudem wertvolle Helfer, wenn die Arbeiter Gefahrensituationen ausgesetzt sind, beispielsweise in Kernkraftwerken oder in problematischen Bereichen, wo der Cobot den gefährlichsten Teil der Arbeit übernimmt.

Effizienter bewegen mit Kugelgewindetrieb

Im Rahmen seiner Marktstudien hat Yvan Measson festgestellt, dass auch andere Unternehmen in dieses Segment einsteigen, jedoch mit Lösungen, die seiner Meinung nach ineffizient, schwerfällig und sogar potenziell gefährlich sind. Das Problem, so seine Erkenntnis, liegt in den Getriebebaugruppen, mit denen die elektrische Energie in eine kontrollierbare Bewegung umgesetzt wird.

„Getriebe haben einen hohen Reibungswert und generieren kinetische Energie, die beim Freisetzen eine Gefahr darstellen kann. Darüber hinaus verfügen sie insbesondere bei einer interaktiven Nutzung über einen eher geringen Wirkungsgrad“, erklärt er. „Indem wir Getriebe durch effizientere Kugelgewindetriebe ersetzen, verbessern wir die Kraft und Bewegungsgenauigkeit dieser Systeme ganz massiv – sicher, durchgängig und effizient.“

Hohe Verstellkraft bei minimaler Reibung

Wie Measson erläutert, liefern Kugelgewindetriebe eine hohe Verstellkraft bei minimaler Reibung. Seine Cobots wandeln 94 % des Motordrehmoments in Bewegung um. Lediglich mithilfe von elektrischem Strom können sie die Kraft für Schleifvorgänge steuern oder Lasten bewegen, für die sonst komplexe Getriebebaugruppen und Sensoren erforderlich wären. Kugelgewindetriebe sind aber nicht nur besonders platzsparend und energieeffizient, sondern dank ihrer geringen Reibung auch praktisch wartungsfrei und deutlich einfacher anzusteuern.

Measson führt weiter aus, dass Kugelgewindetriebe ein erheblich niedrigeres Trägheitsmoment aufweisen als Getriebe, was im Zusammenspiel mit der beschriebenen Steuerbarkeit deutliche Vorteile in Bezug auf die Sicherheit mit sich bringt. Anders als Roboter, die üblicherweise eingezäunt sind, arbeiten Cobots Hand in Hand mit Menschen. Daher müssen sie beispielsweise sofort anhalten können, wenn es zu einer versehentlichen Berührung mit einem Arbeiter kommt. Da sich in den komplexen Konstruktionen von Getrieben jedoch kinetische Energie anstaut, gestaltet sich ein abruptes Anhalten bei einfacher Berührung einigermaßen schwierig.

Kugelgewindetrieb für hohe Lasten

Nachdem klar war, dass die Verwendung von Kugelgewindetrieben einen hochgradig effizienten und wettbewerbsfähigen Cobot ermöglichen würde, untersuchte Measson mit seinem Team die Produkte verschiedener Hersteller. Es stellte sich heraus, dass Thomson Industries die beste Lösung für seinen Anwendungszweck im Programm hatte.

„Die Tragzahl ist ein zentrales Alleinstellungsmerkmal für Cobots. Kugelgewindetriebe erlauben die Handhabung von höheren Lasten als Getriebe – die Kugelgewindetriebe von Thomson bieten die höchsten Tragzahlen der von uns analysierten Systeme. Außerdem gefiel uns die Tatsache, dass sie diese Werte mit einer versetzten Gewindesteigung erreichen“, so Measson weiter.

Thomson lieferte drei gerollte Kugelumlaufspindeln (12 mm × 10 mm) mit einer Standardmutter. Die höhere Tragzahl resultiert aus einem Mutterdesign, das auf einer versetzten Gewindesteigung und vier tragenden Umläufen basiert, wodurch ein hohes Lastverhältnis im kompakten Format möglich wird. Darüber hinaus war Thomson in der Lage, die Kugelgewindetriebe so zu konstruieren, dass sie den geringen Reibungswert dieser Technik auf mindestens zwei Arten realisieren.

Während Hersteller von Kugelgewindetrieben normalerweise die Mutter gegen die Spindel vorspannen, um das Axialspiel zu reduzieren, kamen die Thomson-Ingenieure ohne diese Vorspannung aus. Damit reduzierte sich die ansonsten durch Vorspannung bewirkte Reibung. Um die Reibung noch weiter zu reduzieren, verzichtete man zudem auf Abstreifer, die andere Hersteller einsetzen, um eine Verschmutzung des Gewindetriebs zu verhindern. Das Thomson-Design widersteht einer Verschmutzung ohne Abstreifer. Ohne Vorspannung und Abstreifer boten die Thomson-Kugelgewindetriebe somit die für die Cobot-Arme unverzichtbare sanfte Bewegung.

Mit einem Trägheitsverhältnis von 7,595 kg · mm², 7,353 kg · mm² beziehungsweise 4,728 kg · mm² für die spezifizierten Kugelgewindetriebe zählen die Thomson-Lösungen außerdem zu den Kugelgewindetrieben mit den niedrigsten Trägheitsmomenten der gesamten Branche. Folgerichtig weisen sie nur einen Bruchteil des Trägheitsmoments auf, das bei einem Getriebesystem für eine vergleichbare Last auftreten würde.

Der Mensch bleibt Teil seines Arbeitsprozesses

Yvan Measson hat eine ganze Reihe von Cobots in der Fertigung, die auf der Thomson-Technologie basieren, um sich dank geringer Trägheitsmomente, geringer Reibung und hoher Tragzahlen von den auf dem Markt verfügbaren getriebegestützten Cobots abzuheben. Ganz entscheidend für ihn ist der Umstand, dass die Arbeiter mit seinen Produkten Teil des Verfahrens bleiben, ihre Arbeit aber leichter wird.

„Als die Arbeiter zum ersten Mal vor den Cobots standen, waren sie besorgt, wie sich ihre Arbeit verändern würde. Aber schon nach kurzer Einarbeitungszeit wurden sie zu echten Fans. Das ist ein schöner Lohn für unsere Arbeit“, zeigt sich Yvan Measson zufrieden.

* Markus Brändle ist Produktspezialist EMEA & Asien für Gewindetriebe bei Thomson Neff Industries, in 72649 Wolfschlugen

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