Dynamik über Dynamik

Handlingsgeräte, auch Pick-und-Place-Einheiten genannt, sind heute Standardkomponenten in der Handhabungs- und Automatisierungstechnik. Renommierte Hersteller bieten Basissysteme in unterschiedlichen Komplettierungsstufen an. Die Hochschule in Pforzheim hat in enger Absprache mit führenden Anbietern einen Systemvergleich durchgeführt – die Ergebnisse dürften unabhängige Anlagenbauer und betriebseigene Hersteller gleichermaßen interessieren.

Die Aufgabe

Die Firmen Afag, Cimatic, eps, Festo und Weiss haben ein entsprechendes System zu Versuchs- und Testzwecken zur Verfügung gestellt. Die Versuche wurden an der Hochschule in Pforzheim durchgeführt. Um ein für den Praktiker aussagefähiges Ergebnis zu erlangen, wurde als Handlingsaufgabe die Abarbeitung eines Flächenmagazins mit 16 zylindrischen Werkstücken im Durchmesser von zehn Millimeter gestellt. Die Werkstücke wurden dabei in einer Matrix mit vier Reihen und vier Spalten in äquidistanten Abständen angeordnet. Das Spiel in den Aufnahmebohrungen beträgt 0,1 Millimeter. Die Aufgabe bestand darin, die Stifte nacheinander zu entnehmen, dabei zumindest 50 Millimeter in der Z-Achse freizufahren und dann die Stifte an einem Montageort mit einem vorgegebenen Spiel von maximal 0,05 Millimeter zu fügen.

Neben der erreichbaren Taktzeit für den Gesamtzyklus wurden für jedes System zusätzlich die Wiederholgenauigkeit in der Y-X-Ebene sowie das Schwingverhalten gemessen. Neben diesen eher harten Bewertungsfaktoren wurden weiterhin das Projektmanagement und die „Kommunikationsgüte“ sowie die Güte der Gesamtsystemintegration analysiert.

Afag stellte ein XYZ-System zur Verfügung bei dem alle Achsen als Linearmotoren ausgebildet sind. Die Systeme von Cimatic und eps sind in der X- und Y-Achse mit Linearantrieben ausgestattet, während für die Betätigung des Z-Hubs eine pneumatische Linearachse eingesetzt wird. Festo löste die Aufgabe mit einer kostengünstigen Variante und wählte ein Portalsystem mit Schrittmotortechnik aus, wobei die Z-Achse durch ein pneumatisches Modul realisiert wurde. Weiss stellte nur ein zweiachsiges Modul – basierend auf Linearmotoren – zur Verfügung; speziell bei der Untersuchung des Schwingverhaltens und auch der erreichbaren Zykluszeit sind somit die Ergebnisse nicht direkt miteinander vergleichbar. Alle Teilnehmer wählten als Greifer pneumatisch betriebene Parallelbackengreifer.

Außer Cimatic und Afag lieferten alle Teilnehmer ein Komplettsystem samt der erforderlichen SPS. Die Anlagen von Cimatic und Afag wurden an der HS-Pforzheim mit einer SPS von B&R ausgestattet und in Betrieb genommen.

Die Ergebnisse

-Wiederholgenauigkeit: Allen Systemen kann eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit in der X-Y Ebene von plus/minus 0,02 Millimeter bei sehr geringer Standardabweichung bescheinigt werden. Gemessen wurden diese Werte mit statisch angebrachten Messuhren.

-Zykluszeiten: Die erreichten Zykluszeiten zeigen ein differenziertes Bild. Weiss (außer Konkurrenz) erreicht mit dem zweiachsigen Handlingsmodul eine Zykluszeit von 0,75 Sekunde pro Zyklus gefolgt von eps mit 0,89 Sekunde pro Zyklus. Die weiteren Teilnehmer liegen knapp unter der Zwei-Sekunden-Grenze. Hierbei ist zu beachten, dass Gimatic die Ventile zur Betätigung der Z-Achse achsfern platziert und dadurch einige Zehntel Sekunden im Vergleich verloren hat. Die erreichten Zykluszeiten wurden jeweils direkt aus der Programmlaufzeit der jeweiligen SPS gewonnen.

-Schwingungsverhalten: Zur Messung des Schwingungsverhaltens wurde ein Sensor von Baumer eingesetzt, der nach dem Lasertriangulationsverfahren im Takt von 100 Hertz arbeitet. Die Messwerte wurden mit dem Programmpaket Lab-View aufgenommen und ausgewertet. Die auftretenden Schwingungen wurden in allen drei Achsrichtungen gemessen. Die Messwerte zeigen die Schwingungen der einzelnen Systeme in der Montageposition der Stifte. Aufgetragen sind Mittelwerte der Messungen (Maximal- und Minimalwert der Amplitude über der Zeit), die sich ergeben, wenn die gemessenen Amplituden bei mehr als zehn aufeinanderfolgenden Messungen den Grenzwert von plus/minus 0,05 Millimeter nicht mehr übersteigen.

Hier zeigt sich, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der erreichten Zykluszeit und dem Schwingverhalten der einzelnen Systeme besteht, auch wenn das nicht bei allen Achsen der eingesetzten Systeme durchgängig zu erkennen ist. Die Beherrschung extremer Dynamik stellt hohe Anforderungen an die Regelungstechnik und die Steifigkeit der mechanischen Grundstruktur.

Bei den dem Anwender zur Verfügung gestellten Informationen besticht vor allem eps und Weiss. Neben der Konfiguration der Systeme direkt im Internet kann online der Preis, alle relevanten Adaptionsmaße und sogar die Zykluszeit – mit geringen Schwankungen – vorherbestimmt werden.

Festo hat ein professionelles Projektmanagement etabliert, das den Anwender oder Kunden durch einen fest zugeordneten Projektbetreuer schriftlich stets auf dem neuesten Stand der Projektierung und der realisierbaren Termine hält – besonders bei komplexen Projekten ein wichtiger Baustein zur Vermeidung von Kommunikationsproblemen.

Trends/Zukunftsaussichten

Es wäre vermessen zu behaupten, dass die Pneumatik im Bereich der klassischen Handlingsgeräte bereits ausgedient hat. Es zeigt sich jedoch, dass die Wachablösung hin zu elektromotorischen Antrieben schon sehr weit fortgeschritten ist. Besonders Dynamik und Flexibilität der elektromotorischen Antriebe, speziell der Linearantriebe, werden diesen Trend in den nächsten Jahren intensiv verstärken. In jedem Fall verspricht die nächste Motek ein Feuerwerk an Innovationen: Beispielsweise wird Weiss ein Rotationsmodul auf Basis der Lineartechnik vorstellen. Cimatic wird auch für die Z-Achse ein kompaktes und schnelles Modul auf Basis der Lineartechnik anbieten und verspricht hier Maßstäbe zu setzen.

Festo wird die Produktpalette der elektromotorischen Systeme weiter ausbauen und hierzu Systeme mit dynamischen Servomotoren vorstellen. Interessant sind die Informationen aus dem Hause eps – dort will man bei gleicher Dynamik der Antriebe die eingesetzten Massen nahezu halbieren, ohne das Schwingungsverhalten negativ zu beeinflussen. Es bleibt also weiter spannend!

Dr. Herbert Emmerich/Konrad Knorrek