Selbst ist der Greifer

Handhabung - Moderne Greifsysteme werden immer mehr in smarte Produktionsprozesse eingebunden – sie liefern Daten für Analysen und Trends. Die Sensorik spielt hier eine wichtige Rolle.

30. Oktober 2019
Selbst ist der Greifer
Autonom Greifen: Pilotanwendungen mit der Schunk SVH 5-Fingerhand verdeutlichen, was heute über eine Kombination aus flexiblen Greifern, Sensorik und künstlicher Intelligenz möglich ist. (Bild: Schunk)

Die Digitalisierung verändert Produktionsprozesse in einem bislang kaum vorstellbaren Tempo und Ausmaß. Flexibel einsetzbare, autonom agierende und vernetzte Handhabungssysteme halten Einzug in die Produktion. Zudem wird die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine revolutioniert. Damit all das gelingt, braucht es Greifsysteme, die gezielt auf die Anforderungen der smarten Fabrik zugeschnitten sind, erklärt der Hersteller Schunk. Dabei gewinne gerade die Sensorik an Bedeutung.

»Embedded Systeme und integrierte Multi-Sensorik sind nicht nur Schlüsseltechnologien der Industrie 4.0, sondern auch für die Weiterentwicklung der Greif- und Spanntechnik von elementarer Bedeutung«, ist Schunk-Entwicklungschef Professor Dr. Markus Glück überzeugt. »Intelligente Schunk-Greifer werden in smarten Produktionen eine Schlüsselfunktion übernehmen: Aufgrund ihrer Position – closest to the part – erlauben sie eine Prozessanalyse in Echtzeit, eine proaktive Trendbewertung sowie deren umgehende Einbeziehung in die Qualitätsregelung des Fertigungsflusses.«

Sensorlösungen für Handhabung, Montage und Robotik werden immer leistungsfähiger, kompakter und universeller nutzbar. Häufig verschmelzen sie mit dem Aktor und lassen sich vergleichsweise einfach programmieren. So verfolgt Schunk mit dem C-Nuten-Sensor MMS 22-PI die Strategie »One sensor fits all«.

Teach-Werkzeug für den Sensor

Die Universalsensoren verfügen über einen oder zwei frei programmierbare Schaltpunkte und werden über einen Magneten im Innern des Aktors detektiert. Statt vieler unterschiedlicher Sensorvarianten genügen meist einer oder zwei. Das reduziert die Lagerhaltung. Im Vergleich zu herkömmlichen Magnetschaltern geht die Einrichtzeit laut dem Anbieter mit dem MMS 22-PI deutlich zurück. Statt Schaltpunkte mechanisch einzustellen, seien die Sensoren mit einem Teach-Werkzeug schnell programmiert. Indem bei Bedarf auch die Ausschaltpunkte definiert werden können, lasse sich die Prozessstabilität weiter erhöhen. Die Hysterese sei einstellbar, so sei auch bei kleinen Hüben eine zuverlässige Positionsabfrage möglich und der Greifprozess könne präzise ausgewertet und gesteuert werden. Ähnlich nutzbar ist der analoge Schunk Positionssensor MMS-A, der nach Ausssage des Herstellers erste und kleinste teachbare Analogsensor, der störkonturfrei unmittelbar in die C-Nut von Greifmodulen integriert werden kann. Mit ihm lässt sich der gesamte Hubbereich des Greifers erfassen, sodass unterschiedlich große Teile detektiert werden können.

Die Oberklasse im Bereich der Positioniersensoren bilden hochauflösende, analoge Sensoren, wie der Schunk APS-M1. Er ermöglicht während der Handhabung eine Teilevermessung mit einer Präzision von bis zu 0,03 Millimetern. Über die SPS kann der Anwender bei ihm beliebig viele Schaltpunkte definieren und so beliebig viele Teile oder auch Toleranzbereiche unterscheiden.

Mit dem MMS 22-IO-Link lassen sich die Auswertemöglichkeiten der pneumatischen Universalgreifer Schunk PGN-plus-P und der Kleinteilegreifer Schunk MPG-plus erweitern. Auch er wird in der C-Nut platziert und kann den gesamten Hubbereich des Greifers erfassen.

Daten über Edge-Technik auswerten

Zudem können dank IO-Link weitere Daten generiert werden, etwa die Zyklenzahl, die Auswertungsqualität oder die Sensor-ID. »Greifer von morgen greifen nicht nur, sondern sie melden zusätzlich immer mehr Daten zurück«, beschreibt der Entwicklungschef den aktuellen Trend. »Schon heute liefern analoge Magnetschalter Informationen, ob und gegebenenfalls welches Teil gegriffen wurde. Künftig wird die Tiefe dieser Informationen weiter zunehmen.« Smarte Handhabungsmodule schaffen zudem die Voraussetzungen für eine Vollintegration von Produktionsanlagen im Fertigungsumfeld und deren Anbindung an Cloud-basierte Ökosysteme. Ein Beispiel ist der Schunk EGL.

In Technologiestudien sammeln Inline-Messsysteme beim Smart Gripping Daten und werten diese über die in den Greifer integrierte Edge-Technologie aus. Jeder Prozessschritt wird überwacht und etwa an die Anlagensteuerung, das übergeordnete ERP-System, aber auch an Analyse-Datenbanken und Cloud-Lösungen weitergegeben. Auf diese Weise sind Greifer in der Lage, systematisch Informationen über das gegriffene Bauteil, den Prozess und die Komponenten zu erfassen, zu verarbeiten und entsprechende Reaktionen auszuführen. Sie ermöglichen damit eine Closed-Loop-Qualitätskontrolle und die unmittelbare Überwachung des Produktionsprozesses im Fertigungstakt, so das Unternehmen.

Im Rahmen einer Sensorfusion können mehrere Sensoren parallel eingesetzt und deren Messwerte verknüpfend analysiert werden, um aktuelle Systemzustände der Greifer sowie der Zugriffssituation zu bewerten. So ist es beispielsweise möglich, Greifobjekte oder Störungen im Produktionsablauf zu erkennen.

Auch in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ermöglicht der intelligente Einsatz von Sensoren in Greifsystemen Fortschritte: »Bei MRK-Applikationen gilt es, den Spagat zwischen den Anforderungen der Handlingaufgabe und den in der ISO/TS 15066 definierten biomechanischen Grenzwerten zu bewältigen«, erläutert Glück. Wie dies gelingen kann, zeigt Schunk mit dem Großhubgreifer EGL-C, der eine Kraftmessung mit einer Wegmessung kombiniert.

In die Grundbacken integrierte Kraftmessbacken sowie Inkrementalgeber überwachen permanent die Greifkraft sowie die Position der Greiferfinger. Bis zu einer theoretischen Distanz von vier Millimetern zum geteachten Werkstück ist die Greifkraft auf 30 Newton begrenzt. Kommt es in dieser Annäherungsphase zu einer Kollision, etwa mit der Hand des Bedieners, geht der Greifer sofort in den sicheren Halt.

In der zweiten Phase der Greifprozedur, also bei einer Werkstückdistanz kleiner vier Millimeter, fahren die Finger mit der frei definierbaren Maximalkraft von bis zu 450 Newton zu – mehr als bislang bei kollaborativen Greifern möglich war. Misst das System in dieser Phase eine Nachgiebigkeit, etwa weil ein zu kleines Werkstück gegriffen wird, das der Bediener gerade per Hand entfernen will, stoppt auch diese Bewegung automatisch. Gleiches gilt, wenn die erwarteten Werkstückmaße um zwei Millimeter überschritten werden, weil zum Beispiel kein Teil vorhanden ist.

Schlüssel für autonomes Greifen

In der dritten Phase schließlich detektiert der Greifer, ob das Teil sicher gegriffen ist, und aktiviert die integrierte Greifkrafterhaltung, indem die Bremse verspannt wird. So kann das gegriffene Teil auch bei einem Not-Aus nicht verloren gehen. Zudem ist bei einem Stromausfall keine erneute Referenzierung erforderlich.

Künftig, so die Pläne von Schunk, sollen sich Aufgabenstellungen für die gesamte kinematische Kette bestehend aus Roboter und Greifer automatisieren lassen, ohne dass diese Schritt für Schritt programmiert werden müssen. Der Schlüssel für dieses autonome Greifen ist der Einsatz künstlicher Intelligenz sowie die parallele Nutzung unterschiedlicher Sensoren.

So werden in einer Pilotanwendung zufällig angeordnete Teile über eine Kamera identifiziert, autonom aus einer Box gegriffen und einem Bearbeitungsprozess zugeführt. Die ermittelten Informationen zum Bauteil gibt das System an folgende Stationen weiter, sodass etwa ein intelligenter Kraftspannblock seinen Hub und die Greifkraft automatisch auf das folgende Teil abstimmen kann.

Der Greifer, so die Idee, wird im Zusammenspiel mit 2D- und 3D-Kameras die komplette Greifplanung übernehmen, den Prozess sensorisch überwachen und mit vor- und nachgelagerten Komponenten kommunizieren. »In diesem Zusammenhang wird es entscheidend sein, dass moderne Greifsystemlösungen zum einen über die entsprechende Sensorik verfügen und zum anderen für den Einsatz von KI-Technologien vorbereitet sind«, so Glück.

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Erschienen in Ausgabe: 07/2019
Seite: 20 bis 21