Von der Spinne lernen

Ähnlich flexibel wie eine Spinne, die ihre Beine unabhängig voneinander bewegen kann, arbeitet auch die Greiferspinne des österreichischen Maschinen- und Anlagenbauers Fill, Gurten, Österreich. Das Handlingsystem für das automatisierte Fertigen von kohlenstofffaserverstärkten- und glasfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen (CFK und GFK) ist an den Achsen mit Kleinservoantriebs-Systemen von Wittenstein Cyber Motor, Igersheim, ausgerüstet. 19 Motoren der Baureihe Cyber Dynamic Line, jeweils verbunden mit einem Simco-Drive-Antriebsverstärker, ermöglichen präzise und filigrane Bewegungsabläufe. Die Motoren lassen sich stufenlos und unabhängig voneinander ansteuern. Neun dieser Kleinservomotoren positionieren je einen Vakuumsauger vertikal über einen Spindeltrieb. Mit ihnen nimmt die Greiferspinne PU-Kerne aus verschiedenen Richtungen auf, zudem flache Composite-Zuschnitte, die dabei für den Verarbeitungsprozess vorgeformt werden. Die übrigen Servomotoren verfahren die Sauggreifer formatabhängig in der Horizontalen, ebenfalls mittels Gewindespindeln. Die Antriebe sind mit Einkabel­technik ausgeführt und über eine Energiekette auf je einen Antriebsverstärker im Schaltschrank verdrahtet. Den Einsatz der Energiekette ermöglicht die schleppkettentaugliche Kabelausführung, die gegen Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) geschützt ist. Die eingesetzten Hybridstecker vereinfachen zudem die Montage und Wartungsarbeiten.„Im Rahmen des EU-Projekts Lowflip haben wir den von der spanischen Forschungsgesellschaft Tecnalia konzipierten Prototypen der Greiferspinne zu industrietauglicher Serienreife weiterentwickelt“, erklärt Michael Schneiderbauer von der Produktentwicklung bei Fill.

Prototyp weiterentwickelt

Lowflip steht für Low Cost Flexible Integrated Composite Process und hat zum Ziel, Prozesse zur flexiblen, automatisierten Produktion von Verbundbauteilen aus CFK und GFK zu entwickeln. „Eine der zentralen Ideen dabei ist, den Schichtaufbau und das Aushärten der Bauteile, die beispielsweise als Domstreben in Automobilen zum Einsatz kommen, auf einem Werkzeug zu realisieren“, so Schneiderbauer. „Dies wiederum erfordert ein hochgradig bewegliches Handlingsystem, das verschiedene Linearpositionen ohne mechanisches Umrüsten anfahren kann, um die Composite-Zuschnitte und PU-Kerne aufzunehmen, vorzuformen und abzusetzen.“

Kleinservomotor mit Verstärkern kombiniert

Die mechatronische Komplettlösung für die Greiferspinne besteht zum einen aus dem Antriebsverstärker. Dieser ist als Schaltschrankvariante in Schutzart IP20 und in Schutzart IP65 für die Montage im direkten Maschinen­umfeld verfügbar. Für die Feldbus­integration gibt es zudem Schnitt­stellen wie CAN-Open oder Ethercat. Aufgrund der Siemens Steuerung, hat sich Fill für Profinet als Interface entschieden. Die grafische Benutzerschnittstelle Motion GUI ermöglicht ein intuitives Führen des Bedieners bei der Inbetriebnahme, der Diagnose sowie im Servicefall.
Teil zwei des Mechatronik-Duos bildet ein Kleinservomotor der Baureihe Cyber Dynamic Line. Dieser ist in verschiedenen Baugrößen und Leistungsbereichen verfügbar. „Wir haben in der Greiferspinne einen Servomotor mit einem Außendurchmesser von 32 mm und einer Nennleistung von 110 W bei einem Gewicht von 220 g integriert“, erklärt der Produktentwickler. „Die runde Bauform passt vom Design her in die mechanische Ausführung des Carbonrohr-Rahmens.“

Schichten Lage für Lage in einem Werkzeug aufbauen

Die Greiferspinne ermöglicht das lagenweise Schichten und Aushärten von Composite-Bestandteile in einem Werkzeug. (Bildquelle: Wittenstein)

Ein Teil des Prozesses ist das lagen­weise Schichten und Aushärten der Composite-Bestandteile in einem Werkzeug. Zu Beginn des Handlings werden die Greifpositionen entsprechend der zu verarbeitenden Lagenformate – von 300 x 100 mm bis 1.300 x 400 mm – aus der CAD-Software in die Maschinensteuerung übertragen. Diese positioniert zunächst die Sauggreifer in X- und Y-Richtung, bevor sie dann innerhalb eines Linearhubes von 100 mm entsprechend der Höhe der Composite-Matte beziehungsweise des PU-Kerns vorpositioniert werden. Während der Roboter die Greifer­spinne absenkt, fahren die Motoren die Sauggreifer passend zur Geometrie an das Werkstück heran und nehmen dieses mit Unterdruck auf. „Nachdem eine Matte gegriffen wurde, formt sie das Verfahren der Achsen vor, um ein faltenfreies Ablegen auf dem Werkzeug zu ermöglichen“, beschreibt Schneider­bauer den Prozess. „Danach wird die Matte vakuumiert und bei etwa 80 °C umgeformt. Als zweite Lage setzt die Greifspinne jetzt den PU-Kern auf die erste Matte. Im letzten Schritt wird über die Greifeinheit millimetergenau und vorgeformt die zweite Composite-Matte aufgelegt und in weiterer Folge das Bauteil bei 120 °C ausgehärtet. Dann ist das Compositebauteil aus faserverstärkten Kunststoffen fertig, ohne dass das Gewebe wie in bisherigen Verfahren zwischen den einzelnen Prozessschritten aufwändig gehandelt und gelegt werden musste.“

Antriebslösung für bewegte Maschinenstrukturen

Die Greiferspinne für das automatisierte Handling von Composite-Bauteilen lässt sich auch für weitere Prozesse der CFK- und GFK-Verarbeitung anwenden. So eignet sich das genaue Anfahren von Greifpositionen durch flexible Antriebssysteme etwa für das Handling von Folien und die Cutter-­Automation sowie als Transfersysteme für das Stapeln oder die Prozess­zuführung von Werkstücken.
Obwohl die Komponenten der mechatronischen Lösung aufeinander abgestimmt sind, verwendete Fill die Auslegungssoftware Cymex 5. „Hier haben wir von Wittenstein Unterstützung erhalten, die zu einer funktionsgerechten und effizienten Auslegung der Antriebslösung sowie der schnellen Umsetzung beigetragen hat“, blickt der Entwickler zurück. „Im Vorversuch wurde zunächst verifiziert, wie sich die Inbetriebnahme gestaltet.“ So führt die Verfügbarkeit von Motor und Regler aus einer Hand zu weniger Schnittstellenrisiken. Bus-Systeme ermöglichen die freie Anbindung an über­geordnete Steuerungen. Das Ein-Kabel-Konzept zur Verbindung von Verstärker und Motor ermöglicht zudem eine schnelle, kostengünstige und gewichtssparende Verkabelung.
Die Entwicklung des flexiblen Greifers, der Zuschnitte des CFK- beziehungsweise GFK-Materials sowie Kerne und Inserts aufnehmen und auf dem Werkzeug platzieren kann, ist eine der Aufgabenstellungen innerhalb des EU-Projekts Lowflip. Fill hat sich neben der grundsätzlichen Industriereife des Spinnengreifers – unter anderem Schutzart IP54, Profinet-Schnittstelle und einfache Inbetriebnahme – drei Ziele vorgegeben: „Flexibilität beim Greifen, geringeres Gewicht des Endeffektors und weniger Total Cost of Ownership, also die Kosteneffizienz beim Beschaffen und Betreiben eines Handlingsystems“, fasst Schneiderbauer zusammen. „Mit dem Einsatz von Carbonrohren für die tragende Struktur sowie den Kleinservomotoren von Wittenstein haben wir das Gewicht des Greifers um 50 Prozent reduziert. Dies schlägt sich in der Auslegung des Roboters nieder, der kleiner und entsprechend preiswerter sein kann. Zudem sinken die Betriebskosten und der Energieverbrauch.“ Die Antriebssysteme von Wittenstein ermöglichen präzise und flexible Bewegungsführungen, was mit einer Ansteuerung über Pneumatik eingeschränkt möglich ist.

(ml)