Hochdynamischer Greifer für Pick-and-Place-Roboter in der CVD-Produktion

Für eine neue Baureihe einer Produktionslinie zur Herstellung von CDs und DVDs sollte ein sehr schneller Pick-and-Place-Roboter mit dazu gehörigem Greifer entwickelt werden. Das Pflichtenheft des Kunden verlangte Öffnungs- und Schließzeiten im Bereich von hundertstel Sekunden. Üblicherweise benutzt man bei Greifvorgängen dieser Art pneumatisch betriebene Greifer, da sie aufgrund ihres kleinen Gewichtes eine geringe Massenträgheit verursachen und durch die standardisierte Ventiltechnik unproblematisch anzusteuern sind.

In diesem Fall jedoch waren die hohen dynamischen Anforderungen damit nicht zu erfüllen, denn prinzipbedingt können pneumatische Greifer nicht schneller als mit Schallgeschwindigkeit arbeiten und zeigen mit wachsender Leitungslänge ansteigende Totzeiten.

Somit war eine elektromagnetische Lösung nahe liegend. Ein weiteres Argument für eine elektromagnetische Lösung war die Forderung nach Reinraumtauglichkeit. Da die auf dem Markt erhältlichen Greifer wegen ihrer Größe und des zu großen Massenträgheitsmomentes für den Einsatzzweck nicht optimal geeignet waren, entschied man sich für die Entwicklung eines eigenen Produktes.

Für die Führungsbewegungen des Greifers, die sehr präzise, aber unabhängig voneinander erfolgen müssen, konnte man eine bereits vorher im Unternehmen entwickelte Hub-Schwenkeinheit verwenden, bei der zwei umrichtergesteuerte Servomotoren ein Kombinationsgetriebe antreiben. Es lassen sich definierte Hübe erzeugen und beliebige Winkel anfahren. Die Hohlwelle des Getriebes ermöglicht eine elegante Verlegung der Steuerleitungen für den Greifer.

Elektromagnetischer Aktuator ermöglicht Öffnungs- und Schließzeiten im Bereich von 10 bis 20 ms

Der selbst entwickelte elektromagnetische Aktuator des Greifers ermöglicht in Verbindung mit einer leistungsfähigen elektronischen Miniatursteuerung Öffnungs- und Schließzeiten im Bereich von 10 bis 20 ms. Eine externe Steuereinheit ist nicht nötig, es genügen die in einer SPS üblichen 24 V Gleichstrom zur Ansteuerung.

Selbst die Energieversorgung wird aufgrund der kleinen zu bewegenden Massen mit dem Steuerstrom realisiert. Die in den Greifer integrierte Elektronik verwandelt den Gleichstrom in ein Pulsmuster zur Ansteuerung von Spulen. Diese treiben die beweglichen Teile des Greifers an, die wartungsfrei in PTFE-Lagern gleiten. Dank einer Kulissenführung ist die Endlagenhaltung auf mechanischem Wege auch ohne weitere Stromzufuhr sichergestellt.

Bei der Entwicklung dieses Greifers wurde besonderes Augenmerk auf eine sehr leichte Bauweise gelegt. Der Grundkörper besteht aus einer leichten Aluminiumlegierung, die Lagerung aus PTFE. Die räumliche Anordnung der Spule und des Spulenkerns wurden unter Gesichtspunkten eines geringen Massenträgheitsmomentes gewählt.

Leichtbau sorgt für geringe Massenträgheit

Für den zeitgleich für allgemeine Zwecke entwickelten Greifer mit parallelen Greiferbacken wurde zunächst aus Gewichtsgründen Polyamid als Werkstoff gewählt und eine Gleitlagerung benutzt. Um eine höhere Lebensdauer zu erreichen, wird jedoch inzwischen eine selbst entwickelte Wälzlagerung und Greiferbacken aus Nitrierstahl eingesetzt, die nur unwesentlich schwerer sind.

In Verbindung mit den bereits erwähnten Hub- Schwenkeinheiten haben sich diese Greifer in CD/DVD-Herstellungslinien bereits über etliche Zehnmillionen Zyklen im Serieneinsatz bewährt. Die Forderungen aus dem Pflichtenheft des Kunden sind erfüllt und die CD/DVD-Rohlinge werden sicher gegriffen. Allerdings musste der Parallelgreifer modifiziert werden zum „Zentrischgreifer“, der in die Aufnahmezentrierung der CD/DVD greift und sie formschlüssig hält. Als Greiforgane spreizen sich drei Finger, die die CD/DVD schnell und sicher fassen.

Da sich die zu greifenden Werkstücke nicht immer wie in der beschriebenen Produktionslinie in der gleichen Orientierung befinden, ist es mitunter wünschenswert, dass die Greiferbacken in einer beliebigen Schwenklage zugreifen können. Mit der bereits erfolgten Weiterentwicklung zum Rotorgreifer ergeben sich vielfältige Möglichkeiten.

Während beim Parallelgreifer zwar ein beliebiger Winkel der Greiferbacken fest eingestellt werden kann, dreht der Rotorgreifer die Backen mit den daran fixierten Greiforganen in eine beliebige Lage. Der in den Greiferkopf integrierte Antrieb ermöglicht beliebig viele Umdrehungen, so dass man ihn im Extremfall sogar für leichte Schraubarbeiten einsetzen könnte.

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH auf der Automatica 2008: Halle B1, Stand 121