Kaum eine Anlage wird heute noch für ein einziges Produkt entwickelt. Stattdessen sollen meist möglichst viele Varianten in möglichst kurzer Taktzeit produziert werden und zusätzlich reichlich Spielraum für künftige Design- und Sortimentsänderungen vorhanden sein. Entsprechend flexibel sind Montageanlagen heute aufzubauen. Ein pneumatisches Handling stößt angesichts solcher Forderungen schnell an Grenzen; erst recht, wenn die Anlagen auch noch möglichst geräuscharm arbeiten sollen und Lastenhefte mittlerweile maximale Schallpegel nahe 60 dB aufrufen.

Nichtsdestotrotz dominieren in der Montageautomation bislang noch Pneumatik-Netze – über sie werden aktuell rund 70 % aller Aktoren versorgt. Bei den restlichen 30 % handelt es sich um elektrisch angetriebene Aktoren, die üblicherweise an Netze mit 400 V und mehr angeschlossen sind. Zur dritten großen Säule könnte sich daneben künftig die 24-V-Technologie entwickeln. Für Letztere sprechen eine Reihe von Vorteilen: 

• Minimierter Engineering-, Montage-, Programmier-, Inbetriebnahme- und Wartungsaufwand;
• Reduzierter Know-how-Bedarf: Auch Mechaniker sind berechtigt und in der Lage, 24-V-Anlagen in Betrieb zu nehmen;
• Wegfall der Verschlauchung und deutlich reduzierte Verdrahtung, sodass aufgeräumte Anlagendesigns möglich sind;
• Wegfall hydraulischer Stoßdämpfer, sodass die Gefahr unvorhergesehener Anlagenausfälle sinkt;
• Reduzierte Geräuschemissionen;
• Verringerte Vibrationen der Anlage.

Trotz der zum Teil enormen Fortschritte bei pneumatischen Netzen und Komponenten – wie Ventil-Inseln mit intelligenter Pneumatik – in Aktoren integrierbaren Mikroventilen oder moderaten Einstandspreisen, werden diese die Stärken der 24-V-Technologie auf Dauer nicht vollständig kompensieren, sodass eine Umverteilung des Marktes absehbar ist.

Ein Spezialst für Montageanwendungen: der 24-Volt-Kleinteile­greifer EGP.

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Vor diesem Hintergrund hat auch Schunk einen entsprechenden Baukasten bestehend aus Greifern, Greif-Schwenkeinheiten und Linearmodulen zusammengestellt. Ein Baustein der Lösung ist etwa die sogenannte ELP-Linearachse. Statt wie bei pneumatischen Modulen Drosseln einzustellen oder wie bei elektrisch gesteuerten Modulen neue Verfahrsätze aufzuspielen, hat der Anwender bei der lineardirekt angetriebenen ELP lediglich mechanisch die Endlage zu definieren und die Einfahr- beziehungsweise Ausfahrgeschwindigkeit an zwei Drehcodierschaltern zu regulieren – alles andere übernimmt die Auto-Learn-Funktion. Zwei bis fünf Hübe genügen, schon ist die Programmierung abgeschlossen.

Während des Einlernvorgangs wird die maximal mögliche Geschwindigkeit bei jeweils aktueller Zuladung berechnet. Das Verfahrprofil selbst ist als Rampe angelegt, sprich abhängig vom Gesamthub beschleunigt und bremst die Einheit automatisch. Schläge und Schwingungen sowie eine unkontrollierte Fahrt mit Maximal­geschwindigkeit des Moduls sind somit ausgeschlossen. Ändert sich das Teilegewicht im laufenden Prozess, passt die ­Achse ihr Bewegungsprofil innerhalb weniger Hübe automatisch an, ohne dass ein Bedienereingriff erforderlich ist. Da die Ansteuerung über digitale I/Os erfolgt, ist die ELP-Baureihe mit sämtlichen Steuerungen kompatibel und kann pneumatische Module ganz einfach ersetzen. In Kombination mit ebenfalls auf 24-V-Technologie realisierten Kleinteilegreifern (EGP-Baureihe) und Greifschwenkmo­dulen (EGS-Baureihe) ergibt sich somit ein Baukasten, mit dem sich komplette Handhabungslösungen auf Basis der 24-V-Technologie realisieren lassen.

Hochdynamisch und dennoch schonend

Am Beispiel ELP wird auch deutlich, wie groß der Vorsprung zur Pneumatik-Welt ist: Auch wenn Anwender im Vergleich zu pneumatischen Achsen rund das Doppelte investieren müssen, zahlt sich das verschleißfreie Modul mittel- und langfristig aus, denn: Bei 40 Mio. Zyklen Gesamtleistung und einem Wartungsintervall von 5 Mio. Zyklen summieren sich bei pneumatischen Achsen allein die Kosten für Verschleißteile, Arbeitszeit und Produktionsausfall auf einen Wert, der die Gesamtkosten der ELP-Achsen bei weitem übersteigt. Konkret ergibt sich bei einer Montage-Anlage mit beispielsweise 17 Linearmodulen auf eine Lebensdauer von 40 Mio. Zyklen betrachtet eine Ersparnis von rund 12.000 Euro – nicht eingerechnet die Einsparungen bei den laufenden Betriebskosten, wie der Druckluft! Eine Amortisation ist bereits nach 20 Mio. Zyklen erreicht.

Hinzu kommen konstruktive Vorteile: Oft genug werden Drosseln bei pneumatischen Modulen in der Praxis weit geöffnet, um Taktzeit zu sparen und letzte Reserven aus Anlagen herauszuholen. In der Folge steigen der Verschleiß der Stoßdämpfer und damit die Kosten rasant. Größere Unternehmen planen mittlerweile feste Wartungsintervalle, in denen sämtliche Stoßdämpfer unabhängig vom individuellen Zustand getauscht und neu eingestellt werden. So versucht man ungeplanten Anlagenausfällen zuvorzukommen.

Und doch kommt es mancherorts weiter zu unangenehmen Nebeneffekten: Immer wieder ziehen die massiven Erschütterungen in der Peripherie pneumatischer Linearmodule auch andere Komponenten, wie etwa Kamerasysteme, in Mitleidenschaft. Genau hier setzt die ELP an: Sie ermöglicht extrem dynamische Bewegungen und fährt dennoch harmonisch und damit peripherieschonend in die Endlage. Da die kompakte Einheit ohne hydraulische Stoßdämpfer auskommt, verringert sich der Inbetriebnahme- und Wartungsaufwand auf nahezu null. Zudem ist ausgeschlossen, dass bei defekten Dämpfern Schäden und lange Ausfallzeiten an der Anlage entstehen. Darüber hinaus lässt sich der Anlagenbau deutlich schlanker organisieren, denn Ventil-Inseln, Verschlauchungen, Wartungseinheiten und Druck-Erhöher entfallen. Nicht zuletzt schrumpfen Energieketten auf die Hälfte ihres bisherigen Umfangs, weil lediglich zwei 24-V-Kreise für die Sensorik/Logik beziehungsweise für die Aktorik aufzubauen sind. Angenehmer Nebeneffekt: Die elektrische Achse ist rund 20 dB leiser ist als ihr pneumatisches Pendant. 

Die ELP-Linearachsen gibt es neuerdings auch mit elektrisch aktivierter Haltebremse.

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Um den Aufbau von 24-V-Systemen zu vereinfachen, gibt es die Linearmodule optional mit elektrisch aktivierter Haltebremse. Im Falle eines Stromausfalls gewährleistet die Bremse zuverlässig die Position des Linearmoduls und verhindert ein ungewolltes Herabfallen von vertikal angeordneten Achsen in den Arbeitsbereich. Vergleichbar mit Absenksperren bei pneumatischen Modulen sind damit Schäden an Bauteilen, Anlagekomponenten oder gar Personen ausgeschlossen. Mit Hilfe der Haltebremse ist die Sicherheitsfunktion STO (Safe Torque Off) realisierbar. Ebenso lässt sich das Linearmodul aus voller Fahrt stoppen.

Zugegeben: Noch ist die Auswahl an Handhabungskomponenten mit 24 V recht überschaubar. Nichtsdestotrotz signalisieren mittlerweile Anlagenbauer und Anwender großes Interesse an einem schnellen Ausbau entsprechender Produkt-Programme und nutzen bereits verfügbare Module wie die ELP-Linearachse oder den EGP-Parallelgreifer gezielt als Stellantriebe beziehungsweise als Montagesysteme in kleinen Anlagen und Roboterzellen ohne Druckluftversorgung. Spätestens wenn die in der Handhabungstechnik aktiven Unternehmen von der Zuführtechnik bis hin zum Roboter und der Sicherheitstechnik entsprechende Komponenten in den wichtigsten Baugrößen zur Verfügung stellen, wird das Thema rasant an Bedeutung gewinnen.
Idealerweise sollten sich sämtliche Komponenten bequem von einer zentralen Steuerung aus programmieren lassen. Zusätzlich können autonome Funktionen den Inbetriebnahme-Aufwand minimieren. Bestes Beispiel ist auch hier die ELP mit ihrer Auto-Learn-Funktion: Sobald die Anlage verdrahtet ist, kann der Mechaniker das Handling in Betrieb nehmen, noch bevor die Anlage programmiert wird.

24-Volt-Greifer mit IO-Link

Die elektrische Greif-Schwenk­einheit EGS ist in den Baugrößen 25 und 40 mit Greifkräften von 15 N beziehungsweise 140  N und Hüben von 3/6 mm für Bauteilgewichte bis 0,55 kg verfügbar.

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Den bereits erwähnten EPG-Kleinteilegreifer in 24-V-Ausführung gibt es künftig auch mit IO-Link. In dieser Version erfüllt er den für einen erhöhten Strombedarf geeigneten ‚IO-Link Class B Standard‘ und kann unmittelbar mit einem ‚IO-Link Class B Master‘ verbunden werden. Seine Finger lassen sich bei jedem Zyklus frei positionieren. Da die Greifkraft über Software-Einstellungen in vier Stufen individuell an das jeweilige Werkstück anpassbar ist, sind auch Handhabungs-Szenarien mit deformationsempfindlichen Teilen realisierbar.

Innerhalb der zulässigen Fingerlänge bleiben sowohl die Greifkraft als auch die Greifgeschwindigkeit über den kompletten Hub annähernd konstant. Die Position der Greiferfinger lässt sich mittels des integrierten Messsystems über den gesamten Hub hinweg detektieren, sodass keine externen Sensoren zur Positionsabfrage erforderlich sind beziehungsweise auch Zwischenpositionen oder variierende Werkstückgrößen jederzeit abfragbar sind. Ein integriertes Diagnosetool überwacht permanent Spannung, Strom, Temperatur und den Zustand des Greifers und übermittelt Fehler automatisch an die übergeordnete Steuerung. Bei Bedarf können Anlagenbetreiber auch Wartungsintervalle der Anlage auf dem Tool hinterlegen.

Da die komplette Elektronik des Greifers  platzsparend in seinem Inneren verbaut ist, beansprucht er keinerlei Platz im Schaltschrank. Bürstenlose und damit wartungsfreie Servomotoren sowie eine spielfrei vorgespannte Kreuzrollenführung gewährleisten einen hohen Wirkungsgrad sowie konstante Greifkräfte über die gesamte Fingerlänge. Im ersten Schritt gibt es den Kleinteilegreifer mit IO-Link in Baugröße 40 mit einem Fingerhub von 6 mm und maximalen Greifkräften von 140 N. Die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,02 mm. Er eignet sich zur Handhabung von Teilen mit einem Gewicht bis 0,7 kg. Die maximale Fingerlänge beträgt 50 mm. Neben der ­Version mit IO-Link gibt es den 24-V-­Greifer wie bisher mit Ansteuerung über digitale I/Os.

Autor:
Jakob Khoury ist Leiter Produktmarketing bei Schunk in Lauffen / Neckar.