Die Vorzüge optischer Sensoren

Bild 2: Für Miniaturgreifer ist die gängige Positionssensorik zu groß. Lichtleitersensoren helfen weiter.

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Teile beim Greifen unterscheiden, ihre Lage erkennen und falsch gegriffene Teile detektieren, das können auch optische Sensoren. Obendrein schaffen sie Abhilfe, wenn der Bauraum selbst für induktive oder magnetische Schalter eng wird. Bei miniaturisierten Greifmodulen bestimmen auf Lichtwellenleiter basierende optische Sensoren die Position der Greiferbacken (Bild 2). Dazu senden sie Licht aus und erkennen anhand des reflektierten Lichtanteils den Abstand zu einer Reflexionsfläche an den Greiferbacken.Wer die Entfernung des Greifers zu einem Bauteil erfassen möchte, kann dazu ein aufwendiges Bildverarbeitungssystem einsetzen.Wirtschaftlich sinnvoll ist jedoch oft, diese Aufgabe einem optischen Abstandssensor anzuvertrauen. Der Sensor wird dazu unmittelbar ins Greiferzentrum integriert. Von dort versorgt er die Steuerung kontinuierlich mit der Information, wie weit ein Gegenstand noch entfernt ist und ob er sich bereits in Greifposition befindet (Bild 3).

Bild 3: Optische Sensoren – ins Greiferzentrum integriert – erkennen, ob sich Objekte im Griffbereich befinden.

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Optische Sensoren lassen sich auch zur analogen Positionsabfrage von Großhubgreifern nutzen, indem der Sensor in eine der beiden Grundbacken integriert wird. Statt nach außen werden die Sensoren nach innen gerichtet und dienen so zur Abfrage der Kolbenstellung.

Mikrometergenau vermessen

Noch präziser arbeiten hochauflösende analoge Positions-Sensoren. Ein Beispiel ist der APS von Schunk. Sein Prinzip basiert auf der induktiven Widerstandsänderung. Das mechanischanaloge System aus Sensor und Elektronik erfasst dabei hochgenau die Position der Greiferbacken. Da der Messweg des Sensors nur wenige Millimeter beträgt, werden langhubige Bewegungen mechanisch übersetzt an den Sensor übergeben.

Mit einer Präzision von bis zu 3 μm vermisst der Aktor im laufenden Prozess jedes einzelne gegriffene Teil. Zusätzlich lassen sich über die SPS beliebig viele Schaltpunkte definieren und damit die Teile in verschiedenen Toleranzbereichen unterscheiden. Hochauflösende Positionssensoren ermöglichen eine 100-prozentige Teilekontrolle. Sie können eine komplette Messstation inklusive der notwendigen Prozessschritte ersetzen.

Sanft zupacken

Bild 4: Erhöhte Kräfte durch Schiefstellungen beim Zugreifen überlasten den Roboterarm. – Abhilfe können Kraftsensoren schaffen.

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Bei fixierten Werkstücken führt bereits die Fehlstellung eines Greifers um ein bis zwei Hundertstel Millimeter dazu, dass der Roboterarm mit der vollen Greifkraft belastet wird. Auf Dauer verliert das System so an Präzision und verschleißt deutlich schneller als bei einem kraftkontrollierten Zugriff. Deshalb ist es in einigen Anwendungen sinnvoll, neben der Position des Aktors die Greifkräfte zu erfassen. Bei Kraftmesssystemen, wie dem FMS von Schunk, werden die Greiferfinger mit Kraftmessbacken ausgestattet und die auf die Finger wirkenden Greifkräfte gemessen (Bild 4).

Mit Hilfe dieser Daten lässt sich vermeiden, dass das Robotersystem durch einseitiges Greifen permanent unnötigen Belastungen ausgesetzt ist. Zudem überwachen die Kraftmessbacken sowohl die statischen als auch die dynamischen Greifkräfte. So ist sichergestellt, dass Bauteile selbst bei hochdynamischen Bewegungen sicher im Griff bleiben. Ein zusätzlicher Aspekt liegt in der vorbeugenden Instandhaltung: Mit Hilfe von Kraftmesssystemen kann in regelmäßigen Abständen die Funktionsfähigkeit von Greifern geprüft werden. Beide Aspekte der integrierten Kraftmessung bringen Prozesssicherheit und vermeiden unerwartete Stillstände des Handlingsystems. Besonders feinfühlig werden Automatisierungskomponenten sowie Mess- und Prüfeinrichtungen in Kombination mit Kraft-Momenten-Sensoren. Ein Bespiel ist hier der FTC von Schunk. Solche Sensoren messen, welche Kräfte in und welche Momente um alle drei Raumachsen wirken.

Damit lassen sich Positionsungenauigkeiten von Werkstücken oder Werkzeugen ausgleichen, Arbeiten an bewegten Werkstücken ausführen und Werkzeuge, Werkstücke und Automatisierungssysteme vor Überlastungen schützen. Kraft-Momenten-Sensoren eignen sich für steife Systeme, wie sie beispielsweise zum Einpressen von Teilen eingesetzt werden. Zudem finden sie Anwendung in nachgiebigen Systemen, wie sie zum Fügen, Entgraten oder Positionieren genutzt werden.

Taktile Sensoren

Bild 5: Dank einer voll integrierten Sensor-Matrix messen taktile Sensoren ortsaufgelöst die Kräfte. Mit derart ausgerüsteten Greifern lassen sich Teile unterscheiden und zugleich sicher und feinfühlig handhaben.

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Noch anspruchsvoller arbeiten taktile Sensoren, sie bilden sozusagen die Königsklasse moderner Sensoren in der Handhabung (Bild 5). Mit ihnen lässt sich ortsaufgelöst Greifkraft und -fläche abfragen. Die taktilen Aufnehmer verfügen dazu über eine sensible Matrix. So ist es möglich, Objekte beim Greifen zu identifizieren.

Auch fragile Teile mit unterschiedlichen Geometrien lassen sich mit Hilfe taktiler Sensoren zuverlässig und sicher handhaben. Beispielsweise können derartige Greifer unterschiedliche Objekte positionieren und anschließend zusammenfügen. Experten gehen davon aus, dass die bereits jetzt in Serie verfügbaren taktilen Sensoren künftig in der Servicerobotik eine maßgebliche Rolle spielen werden. Denn diese Aufnehmer machen die mechanischen Hände zu feinfühligen Helfern.

Autor: Matthias Poguntke ist Leiter Produkt-Management und -Marketing Automation bei Schunk.

Greifersensorik kabellos einbinden

Mit dem Funksystem RSS lassen sich zum Beispiel Signale von Reedschaltern kabelbruchsicher per Funk übertragen.

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In Bearbeitungszentren, Dreh- oder Schleifmaschinen und beengten Handhabungsapplikationen erweisen sich Kabel von Sensoren mehr und mehr als Knock-out-Kriterium. Kabel sind eine der häufigsten Ursachen für Anlagenstörungen. Die Fehlersuche gestaltet sich aufwendig und zeitintensiv. Eine Lösung liefert hier der Einsatz kabelloser Funk-Sensorik. Die Sensoren erfassen den Hub der Greiferbacken und melden den Zustand an einen Sender. Dieser übermittelt die Information per Funk an einen Empfänger, der mit der Steuerung verbunden ist.

Statt umfangreicher Abdichtungen, Kabelpanzerungen, Zugentlastungen und mechanischer Schleifringe für Rotationsachsen umgehen Funksensoren sämtliche mechanischen Hürden. Mit dem Funksystem RSS von Schunk lassen sich beispielsweise Signale von Reedschaltern kabelbruchsicher per Funk übertragen.