Flinke Alternative

PICK AND PLACE - Ein neuartiges mechatronisches Komplettsystem hat Festo ist ein servopneumatisch angetriebener Delta-Roboter in Parallelkinematik aus Standardkomponenten von Festo. Bei dem Automobilhersteller Ford in Köln bestückt ein solcher „Tripod“ mit hoher Geschwindigkeit Differentiale mit Schrauben. Die geringen Kosten machen die innovative Kombination aus Pneumatik und elektronisch gesteuerter Positionsregelung zu einer interessanten Alternative zu kartesischen Robotern.

29. Dezember 2004

Schon Henry Ford, der Begründer der industriellen Massenproduktion, wußte einst: „Nicht mit Erfindungen, sondern mit Verbesserungen macht man Vermögen.“ Ford hat zwar das Automobil nicht erfunden, er hat jedoch die Prozesse zu dessen Produktion perfektioniert, und noch heute befaßt sich eine Abteilung des von ihm gegründeten Automobilunternehmens weltweit mit dem Innovationsmanagement, also der ständigen Suche nach Möglichkeiten, den Fertigungsprozeß zu optimieren. Die neueste „Entdeckung“ dieser Abteilung mit der Bezeichnung „Advanced Manufacturing Technology Development“ bei Ford in Köln ist ein servopneumatisch angetriebener Delta-Roboter in Parallelkinematik, der sich für Pick & Place- als auch für Bahnaufgaben eignet, beispielsweise beim schnellen und gezielten Plazieren von Kleinteilen.

Derartige Aufgaben wurden bei Ford bisher über kartesische Achssysteme gelöst. Deren Vorteil ist die einfache Vorgabe der Bewegung, die keiner Rücktransformation auf Gelenkebene bedarf, zudem kompensieren sich Schleppfehler bei der Bewegung der Einzelachsen in Bezug auf die Greiferbewegung bei Bahnanwendungen. Die kartesische Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die Grundachse die gesamte Masse der folgenden Achse mitbewegen muß. Für die Grundachsen werden deshalb große Antriebe benötigt, deren Gewicht die erzielbare Beschleunigung reduziert. Zudem entsteht für die unteren Antriebe eine Torsionsbelastung, die besonders beim Einsatz von kolbenstangenlosen geschlitzten Zylindern zu Schwingungen führen kann. Eine Stabkinematik mit ihrem einfachen Aufbau aus identischen Achsen und geringen bewegten Masse erlaubt dagegen eine hohe Beschleunigung und Geschwindigkeit, die Hauptbelastung liegt dabei in Zylinderrichtung.

Welche Möglichkeiten eine Stabkinematik bieten kann, entdeckte ein Mitarbeiter der Ford-Entwicklungsabteilung auf der diesjährigen Hannover Messe am Stand von Festo: Sofort seien ihm etliche Anwendungen eingefallen, die mit dem Einsatz eines sogenannten „Tripod“ optimiert und kostengünstiger gestaltet werden können, berichtet Volker Berger, zuständig für die Entwicklung und Einführung neuer Montagetechnologien und Strategien: „Die Parallelkinematik mit ihrem einfachen Aufbau über Standardkomponenten aus dem Baukasten ist verblüffend“, staunt Berger noch heute.

Der stabkinematische Delta-Roboter besteht komplett aus Standardkomponenten von Festo: Zum Einsatz kommen pneumatische Achsen, Durchfluß-Proportionalventile, ein Positioniercontroller, Achs-Interfaces, Wartungsgeräte, Schläuche, Fittings, der Greifer HGPP sowie der Drehantrieb DRQD. Als Antriebe dienen drei identische kolbenstangenlose Pneumatikzylinder mit integriertem Wegmeßsystem und angeflanschten Servoventilen, die zugleich auch das Gestell des Roboters bilden. Die Zylinderkammern lassen sich über ein Ventil unabhängig von einander be- und entlüften. Über insgesamt sechs Kohlefaserstäbe ist die Greiferplatte mit den Schlitten der Antriebe verbunden. Die spezielle Anordnung der Stäbe ermöglicht der Greiferplatte drei translatorische Freiheitsgrade ohne rotative Bewegungen.

Zusätzlich benötigt wird lediglich eine Robotersteuerung. Dabei erfordert der vereinfachte mechanische Aufbau des pneumatischen Roboters allerdings einen erhöhten Aufwand im Bereich der Steuerung und Regelung: Nötig ist eine Mehrachssteuerung, mit der sich im Arbeitsraum eine Bahn beschreiben läßt. Neben den Positionswerten werden dabei Beschleunigung und die Geschwindigkeit festgelegt, um von einer Position in die andere zu wechseln. Mit einem internen dynamischen Modell des Roboters werden die auftretenden Kreiselkräfte, stellungsabhängige Schwerkräfte und Massenkoppelkräfte berechnet und kompensierend aufgeschaltet.

Neben den technischen Möglichkeiten der Stabkinematik bietet der Aufbau aus Standardkomponenten auch eine erleichterte Wartung und Reparatur, weil dazu lediglich Komponenten ausgetauscht werden und nicht das ganze Gerät wie oft bei ähnlichen Robotik-Lösungen. Zudem benötigt der servopneumatische Tripod sehr wenig Platz im Vergleich zu konventionellen Anlagen im Fertigungsprozeß und erfordert nur sehr geringe Erstinvestitionen im Vergleich zu rein elektrisch betriebenen Delta-Robotern.

Im Einsatz ist der servopneumatische Delta-Roboter in der Getriebemontage Bei Getrag Ford Transmissions in Köln, einem Joint Venture von Ford und dem Getriebehersteller Getrag. Dabei bestückt sein Greifer ein Differential mit zehn Differentialschrauben, die das Differentialgehäuse mit dem Ring Gear verschrauben. Die Taktzeit beträgt dabei 23 Sekunden. Doch das ist nicht die einzige denkbare Einsatzmöglichkeit des Tripod, weiß Berger: „Wir könnten auch die Getriebebestückung mit Gehäuseschrauben umrüsten.“ Ähnliche Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Gangradbestückung auf der Welle bei der Wellenvormontage oder die Bestückung von Bolzen für Gehäuse bei Kegelrollenlagern. Auch die Fahrzeugendmontage bietet Potential für die Automatisierung durch den Tripod: Hier kann der Delta-Roboter Clipse für Kabelbäume in die Karosserie einbringen oder Dichtmittel auftragen. Zahlreiche Handarbeitsplätze lassen sich somit automatisieren. Ein anderes Einsatzfeld ist die Zusammenstellung von Kleinteile-Kits für die Montage aus einem Lagerbestand: Hier kann der Tripod zur Fehlersenkung beitragen.

Der Tripod zeigt, daß pneumatische Antriebe sich mit moderner Regelungstechnik auch in verkoppelten Mehrachssystemen einsetzen lassen. Die Parallelkinematik in Kombination mit servopneumatischen Antrieben ermöglicht hohe Bahnbeschleunigungen und Geschwindigkeiten bei geringen Schleppfehlern und einer Wiederholgenauigkeit von etwa 0,1 Millimeter. Damit kann der servopneumatische Tripod mit elektrisch angetriebenen Handhabungsgeräten konkurrieren und erschließt für pneumatische Antriebe ein Anwendungsgebiet, das bisher nur elektrischen oder hydraulischen Antrieben vorbehalten war.

Erschienen in Ausgabe: 05/2003