Was heute lapidar unter dem Begriff Roboterzubehör zusammengefasst wird, hat großen Einfluss auf Leistung, Flexibilität und Ein­satzmöglichkeiten von Robotern. Mit Hilfe von Schnellwechselsystemen zum Beispiel lassen sich Greifer, Werkzeuge und andere Effektoren in Sekundenschnelle tauschen. Damit sinken unproduktive Nebenzeiten und die Flexibilität des Roboters sowie der gesamten Anlage steigt.

Während ein geübter Bediener ohne Wechselsystem für den manuellen Tausch eines pneumatischen Effektors zwischen 10 und 30 Minuten benötigt, kann ein Schnellwechsel­system den gleichen Vorgang auf 10 bis 30 Sekunden reduzieren. Schnellwechselsysteme machen überall dort Sinn, wo regelmäßig auf neue Produkte oder Produktvarianten umgerüstet werden muss, wo für das Handling oder die Bearbeitung unterschiedliche Effektoren nötig sind und wo Ausfallzeiten durch die Wartung von Komponenten und Werkzeugen minimiert werden sollen.

In der Regel bestehen solche Sys­teme aus zwei Teilen: Einem Schnellwechselkopf, der am Roboterarm montiert ist, und einem Schnellwechseladapter, der mit dem Werkzeug verbunden ist. Beim Werkzeugwechsel werden beide Teile automatisch oder manuell mitei­nander gekoppelt und zugleich sämtliche elektrische, pneumatische und hydraulische Durchleitungen miteinander verbunden. Im Idealfall geschieht dies pneumatisch über ein selbsthaltendes Verriegelungssystem und wird von integrierten Sensoren überwacht. Weil über das Schnellwechselsystem die Ausrichtung des Effektors bereits definiert ist, geht keine Zeit für dessen Neujustierung verloren.

Energieeffizienz mittels Schnellwechselsystemen

Bei der Systemauswahl sollten Anwender und Systemintegratoren auf kompakte Abmessungen, ein möglichst geringes Eigenmasse/Kraft-Verhältnis, kurze Wechselzeiten und exakt dimensionierte Energie-Übertragungsmodule achten. Wie das optimale Wechselsystem aussieht, hängt immer von der individuellen Anwendung ab. Generell gilt: Es sollte so leicht sein, dass der Roboter möglichst schnell verfahren kann, und so stabil, dass es die auftretenden Kräfte optimal aufnimmt. Besonders wirtschaftlich sind modulare Systeme, bei denen je nach Bedarf unterschiedliche Elektronik- und Fluid-Module mitei­nander kombinierbar sind. Ideal ist es, wenn die Ver- und Entriegelung kräftefrei über ein so genanntes No-Touch-Locking-System erfolgt, das selbst dann eine sichere Verriegelung gewährleistet, wenn zwischen Kopf und Adapter ein Abstand von einigen Millimetern vorhanden ist.

Weil Industrieroboter immer leistungsfähiger werden und mittlerweile Lasten von mehreren hundert Kilogramm handhaben können, gewinnen in jüngster Zeit spezielle Schwerlast-Wechselsysteme an Bedeutung. Mit einer maximalen Zuladung bis 1350 kg und Momentenbelastungen bis 5400 Nm eignen sie sich für die Handhabung schwerer Werkstücke sowie für die Arbeit mit gewichtigen Greifern, Saugspinnen, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch ange­triebenen Bearbeitungsspindeln, Niet­applikationen, Schweißzangen oder Bolzenschweiß-Applikationen mit automatischer Materialzufuhr.

Durch die Verwendung integrierter Mikroventile in Schwerlast-Wechselsystemen sinkt der Verbrauch teurer Druckluft um bis zu 90 %.

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Zudem lassen sie sich in der Automobil-Industrie zur Montage oder zur Pressen­verknüpfung einsetzen.Dank ihrer hohen Belastbarkeit können sie darüber hinaus für den Aufbau flexibler Fertigungslinien genutzt werden, in denen leichte und schwere Werkstücke im Wechsel bearbeitet werden.

Auch wenn es darum geht, die Energieeffizienz von Anlagen zu erhöhen, spielen Schnellwechselsysteme eine wichtige Rolle. So können Mikroventile, die ins Schnellwechselsystem integriert sind, eine komplette Ventil-Insel ersetzen. Bei jedem Takt wird dann nur noch der Kolbenraum des Aktors mit Druckluft gefüllt. Der Effekt ist enorm: Bei einem 3 m langen Zuleitungsschlauch mit einem Durchmesser von 4 mm lässt sich mit den integrierten Ventilen der Luftverbrauch um bis zu 90 % senken. Zugleich steigt die Taktrate, weil die Druckluft direkt wirkt. Statt eines Kabel- und Leitungsbündels ist nur noch je eine einzige Leitung für Druckluftzufuhr und Stromversorgung erforderlich. Diese beiden Zuleitungen passen in der Regel durch Mitten­bohrungen mit Durchmessern von nur 12 mm und lassen sich außerdem etwa innerhalb des Arms von Scara-Robotern verlegen.

Werkzeuge geben nach

Neben dem Handling haben sich Roboter bei definierten Bearbeitungsverfahren wie dem Bohren und Fräsen bewährt. Beim Schleifen, Polieren, Bürsten und Entgraten hingegen stießen sie lange Zeit an Grenzen; war es doch kaum möglich, die Erfahrung, das Augenmaß und das Fingerspitzengefühl des Menschen durch den Roboter zu ersetzen. So bestand die Gefahr, dass beim Entgraten Gratreste stehen bleiben oder mehr Material abgetragen wird als erwünscht. Zudem verschlissen die Werkzeuge schnell oder brachen vorzeitig ab. In jüngster Zeit tasten sich Roboter nun sogar in dieses Terrain vor.

Der Schlüssel sind angetriebene Werkzeuge, die axial beziehungsweise radial ausgleichend gelagert sind und Abweichungen zwischen Roboterbahn und Werkstückkontur kompensieren. Um die Oberflächen von Metallen und Kunststoffen per Roboter zu bearbeiten, werden Schleifscheiben oder Polierbürsten in luftgetriebene Finishing-Werkzeuge eingespannt. Die langsam laufenden Spezialwerkzeuge erzeugen ein hohes Drehmoment. Weil sie in axialer Richtung nachgeben, ist auch bei unebenen Oberflächen ein gleichmäßiger Anpressdruck gewährleistet. Dieser lässt sich über den Luftdruck regeln und liegt in Bereichen zwischen 14 N und 74 N. Quer zur Oberfläche sind die Werkzeuge also sehr steif, in Bearbeitungsrichtung hingegen besitzen sie eine definierbare Nachgiebigkeit. Damit werden Werkzeug-Abnutzungen und Ungenauigkeiten in der Positionierung des Werkstücks ebenso ausgeglichen wie kleine Abweichungen des Roboterarms von der vorgegebenen Bahn. Das verbessert die Qualität der Bearbeitungsergebnisse, erhöht die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge und kann die Programmierzeit um bis zu 75 % reduzieren.

Ein ähnliches Konzept verfolgen Entgratspindeln, die das manuelle Entgraten so exakt wie möglich nachahmen. Anders als die Finishing-Werkzeuge arbeiten die Hochfrequenzspindeln mit Drehzahlen bis 65 000 Umdrehungen pro Minute. Ihr Spindel- und Motorsystem ist auf einem Pendellager nachgiebig gelagert. Mehrere kleine Pneumatikkolben sorgen dafür, dass die Spindeln radial beziehungsweise axial um bis zu 9 mm nachgeben. So kann sich der Druckluftmotor relativ zum Gehäuse be­wegen und Abweichungen zwischen Werkzeugbahn und tatsächlicher Werkstückkontur ausgleichen.

Auch bei unregelmäßigen Teilen ist auf diese Weise ein gleichmäßiges Ergebnis erzielbar. Die Steifigkeit der Entgratspindeln lässt sich über einen separaten Luftanschluss regeln, so dass in jeder Einbaulage saubere Kanten gewährleistet sind. Abhängig vom eingestellten Luftdruck wirken an der Fräserschnittfläche Kräfte zwischen 3,1 N und 42,3 N, die je nach Werkstoff Arbeitsgeschwindigkeiten bis 0,3 m pro Sekunde ermöglichen. Weil bei der Programmierung der Roboterbahn weniger Fixpunkte definiert werden müssen, sinkt bei Einsatz nachgiebiger Entgratspindeln zudem die Programmierzeit.