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Der elektrisch angesteuerte Co-act EGP ist der erste DGUV-zertifizierte Industriegreifer für kollaborative Anwendungen. (Bild: Schunk)

haben in den zurückliegenden Jahren deutlich an Mehrwert gewonnen. Verantwortlich dafür sind vor allem die Entwicklungen im Bereich Sensorik: Immer leistungsfähiger, kompakter und universeller nutzbar verschmelzen zunehmend mit dem Aktor (Greifer). Magnetschalter vom Typ MMS 22-PI sind beispielsweise in der Lage, unterschiedlich große Werkstücke allein mithilfe des Greifers zu unterscheiden. Der Manipulator greift also nicht nur, er detektiert zugleich, ob er das richtige Teil gegriffen hat.

Ähnlich komfortabel nutzbar ist der analoge Magnetschalter MMS-A. Der weltweit erste teachbare Weggeber lässt sich störkonturfrei unmittelbar in die C-Nut von Greifmodulen integrieren und kann ebenfalls unterschiedlich große Teile auseinanderhalten. Wofür lange Zeit mehrere Magnetschalter erforderlich waren, genügt heute ein einziger, mit 4 mm Durchmesser kompakter Sensor. Die erforderliche Elektronik ist darin bereits integriert. In Kombination mit der Auswerteeinheit FPS-F5 wird der Weggeber zu einem einfach einzulernenden Multi-Bereichssensor, der bis zu fünf beliebige Zustände detektiert.

Auf die Schnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

  • Integrierte Sensorik ermöglicht flexible Greifstrategien
  • Greifer können die Inline-Qualitätskontrolle übernehmen
  • Smart Gripping ist nicht mit gleichzusetzen
  • Greifer-Strategie hängt vom Grad der MRK ab
  • Digitale Zwillinge unterstützen bei der virtuellen Inbetriebnahme und verkürzen Projektlaufzeiten

Am Ende der technologischen Fahnenstange stehen hochauflösende, analoge Positioniersensoren wie der APS. Sie machen aus herkömmlichen Greifmodulen eine Präzisionsmessstation und ermöglichen eine 100-prozentige Teilekontrolle: Mit einer beeindruckenden Präzision von bis zu 0,003 mm kann der Aktor im laufenden Prozess jedes einzelne gegriffene Teil vermessen. Über die lassen sich dazu beliebig viele Schaltpunkte definieren und damit beliebig viele Teile beziehungsweise Toleranzbereiche unterscheiden.

Transparenz und Flexibilität sind künftig Pflicht

Ausgelöst durch den Trend zur von Handhabungssystemen und zur Flexibilisierung von Produktionsprozessen im Zuge der Industrie 4.0 nehmen Greiferspezialisten wie Schunk die nächste Evolutionsstufe des Greifens in Angriff. Angestrebt wird eine umfassende aller beteiligten Komponenten, eine hohe Transparenz auf Anlagen-, Leittechnik- und Unternehmensebene sowie eine dynamische Reaktion auf Ereignisse.

Handhabungssysteme sind künftig so flexibel, dass sie auf Grundlage der im Prozessverlauf gewonnenen Daten innerhalb kürzester Zeit reagieren und der Prozess entsprechend angepasst und optimiert werden kann. Dem Greifer kommt dabei eine besondere Bedeutung zu: Dessen exponierte Position unmittelbar in Kontakt mit dem Handhabungsobjekt bietet die Möglichkeit, eine Reihe von Zusatznutzen zu generieren, beispielsweise die Überwachung von Toleranzen, Gewichten oder Dimensionen.

Interview mit Dr. Markus Klaiber, Schunk: „Wir wollen möglichst viel Intelligenz unmittelbar im Greifer unterbringen.“

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Der Magnetschalter MMS-A wird unmittelbar in die C-Nut von Greifern integriert und erkennt unterschiedliche Bau-teilgrößen mit hoher Genauigkeit. Schunk

Greifer vermessen, identifizieren und überwachen in Echtzeit

Beim Konzept des ‚Smart Grippings‘ ermöglichen intelligente Greifer wie der Schunk EGL autonome Handhabungsszenarien. Sie vermessen, identifizieren und überwachen in die gegriffenen Bauteile und kontrollieren damit den laufenden Produktionsprozess. Der Greifer selbst erkennt ohne zusätzliche externe Sensorik ein fehlerhaftes Bauteil und entscheidet, ob das Teil aus dem Prozess auszuschleusen ist. Über die integrierte Sensorik erfasst er die Daten des Bauteils, wie die Größe und dessen Elastizität, und verarbeitet diese unmittelbar. So ist es möglich, noch auf Ebene des Greifers Bauteile zu identifizieren, Beschädigungen zu erkennen und eine Gut/Schlecht-Entscheidung zu treffen.

Die Auswertung erfolgt über den elektromechanischen und das Positionsmesssystem des EGL sowie über die prototypisch integrierte Kraftmessung. Nach der Verarbeitung der Daten in der eigenen Elektronik können sowohl die ermittelten Informationen (zum Beispiel Bauteil gut oder schlecht) wie auch die Messdaten an die Anlagensteuerung zur Prozessregelung übertragen werden. Zusätzlich lassen sich die Daten an ERP-Systeme oder Cloud-Plattformen weiterleiten. Hierfür nutzt Schunk ein Datengateway, das parallel zur Steuerung implementiert ist und als Übersetzer zwischen den Protokollen der Busebene und der Verwaltungsebene dient.

Auf Busebene werden die Daten wie bisher per zyklischer und azyklischer Kommunikation zwischen Greifer, und ausgetauscht, womit die Security- und Safety-Eigenschaften der Anlage unverändert bestehen bleiben.

MRK stellt andere Anforderungen

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Die aufbereiteten Informationen können beim Smart Gripping weltweit über die Cloud-Plattform auf beliebigen Endgeräten zur Verfügung gestellt werden. Schunk

Stehen beim Smart Gripping die Prozess-Transparenz und die Autonomie von Greifsystemen im Fokus, richtet sich der Blick bei MRK-Greifsystemen vor allem auf eine sichere Kooperation und Kollaboration mit dem Menschen. Grundlage hierfür sind abgestufte Sicherheitskonzepte, die je nach Interaktionsgrad realisiert werden müssen. Bei einer Vollautomatisierung mit getrennten Arbeitsräumen und entkoppelter Arbeit, also der bislang gebräuchlichsten Form der Zusammenarbeit, genügt es auf Grundlage der DIN EN ISO 12100 sicherzustellen, dass der Greifer das Werkstück nicht verliert. Betritt der Mensch die Produktionszelle, wird die Anlage von der Energiezuführung getrennt. Eine Mechanische Greifkraft-Erhaltung stellt sicher, dass der Greifer das Werkstück auch dann noch zuverlässig hält.

Einen Schritt weiter gehen Anwendungen mit gemeinsamen Arbeitsräumen, aber entkoppelter Arbeit, der sogenannten Mensch-Roboter-Kooperation. Bei diesen Szenarien muss die funktionale Sicherheit auf Grundlage der DIN EN ISO 13849 gewährleistet sein. Im Zusammenspiel mit Trittmatten, Türschaltern, Lichtvorhängen oder 3D-Kameras zur Raumüberwachung lassen sich abgestufte Schutzzonen definieren, ohne dass der Produktionsprozess bei zu engem Mensch-Maschinen-Kontakt durch Notabschaltungen komplett unterbrochen wird. Stattdessen gehen die Greifer je nach aktivierter Schutzzone entweder in eine sicher limitierte Geschwindigkeit oder in einen sicheren Betriebshalt. Im sicheren Betriebshalt sind die Greifer kontinuierlich bestromt, so dass gegriffene Teile auch ohne mechanische Greifkraft-Erhaltung zuverlässig gehalten werden. Sobald die Schutzzone wieder freigegeben ist, schalten die Greifer verzögerungsfrei unmittelbar in den regulären Betriebsmodus zurück, ohne Neustart der Anlage.

Die dritte, anspruchsvollste Stufe bildet die unmittelbare , bei der zusätzlich die Schutzprinzipien der DIN EN ISO 10218-1/-2 und DIN EN ISO/TS 15066 zu berücksichtigen sind. Speziell für solche Szenarien hat Schunk die Familie der Co-act-Greifer entwickelt. Diese verlieren nie das gegriffene Objekt, erkennen immer einen Kontakt mit dem Menschen und verletzen unter keinen Umständen beim Greifen. Alle Co-act Greifer, das Flaggschiff JL 1 ausgenommen, basieren auf Standard-Komponenten aus dem Greiferprogramm.

Wie die Interaktion und Kommunikation mit dem Greifer funktioniert, steht auf Seite 2

Interaktion und Kommunikation mit dem Greifer

Wohin die geht verdeutlicht der Co-act Greifer JL1, der als erster intelligenter unmittelbar mit dem Menschen interagiert und kommuniziert. Mit Unterstützung unterschiedlicher Sensoren lässt sich der Greifprozess bei ihm in Echtzeit anpassen. Situations-, Umgebungs- und Einsatzbedingungen werden dazu über eine sensorische Aura aufgenommen, bewertet und kommuniziert.

Diese Aura besteht aus taktilen, kapazitiven und optischen Sensoren sowie einer strombasierten Kraftregelung. Eine spezielle bündelt die unterschiedlichen Informationen aus den einzelnen Sensorquellen und leitet daraus die korrekte Information ab. Mithilfe eigens entwickelter Greifstrategien stimmt der Greifer sein Verhalten in Echtzeit darauf ab, ob das Werkstück oder womöglich doch eine menschliche Hand gegriffen wird.

Via OPC UA ist der Greifer darüber hinaus in der Lage, mit dem sowie der übergeordneten Anlagensteuerung zu kommunizieren. Damit schafft er die Voraussetzung für eine flexible Prozessgestaltung im Sinne der Industrie 4.0. Zugleich fungiert er als direktes Kommunikationsmittel der Anlagensteuerung zum Bediener: Über und eine entsprechende Farbsystematik informiert er, ob die Anlage betriebsbereit oder das Werkstück korrekt gegriffen ist.

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Die Prozess- und Greiferdaten lassen sich statistisch auswerten und visualisieren, beispielsweise zur Analyse eines Auftrags oder einer Produktionswoche. Schunk

Digitale Zwillinge bahnen den Weg zur virtuellen Inbetriebnahme

Zusätzlich zu den mechanischen und elektrischen Entwicklungen treibt Schunk auch die Virtualisierung des Greiferprogramms voran. So werden Konstrukteure und Anlagenplaner schon bald in der Lage sein mithilfe des Mechatronics Concept Designer von und der digitalen Zwillinge, komplette Montageanlagen im dreidimensionalen Raum zu simulieren und den gesamten Engineering-Prozess vom Konzept über Mechanik, Elektrik und Software bis hin zur Inbetriebnahme virtuell abzubilden. An die Stelle des klassischen CAD-Hüllenmodells tritt ein detailreiches digitales Abbild der Komponenten. Der digitale Zwilling umfasst zum einen das CAD-Volumenmodell mit allen geometrischen Daten sowie ein kinematisches Verhaltensmodell, in dem zum Beispiel Hub, Aus- und Einfahrgeschwindigkeit, Beschleunigung, Nennkraft und die Masse hinterlegt sind. In einem zweiten Schritt sollen die digitalen Zwillinge künftig um SPS-Bausteine zur virtuellen Inbetriebnahme (Software/Hardware in the Loop) erweitert werden. Statt wie bislang üblich erst nach dem physischen Aufbau der Anlage mit der Programmierung zu beginnen, lassen sich mit dem virtuellen Modell künftig sämtliche Einzelprozesse im Vorfeld systematisch aufeinander abstimmen, programmieren und in Form relativer Wenn-Dann-Regeln optimieren. Darüber hinaus bildet das virtuelle Modell die Grundlage für die Nachverfolgung und Echtzeitsteuerung in der laufenden Produktion.

SPS IPC Drives 2017, Halle 3, Stand 418

Dr. Markus Klaiber

Technischer Geschäftsführer/CTO bei Schunk in Lauffen/Neckar

(sk)

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