Längst sind die Zeiten vorbei, als die Königswelle der alleinige Taktgeber beim Pick&Place war. Zwar gibt es auch heute noch mechanische Lösungen mit geschliffenen Kurvenscheiben, die im definierten Takt definierte Bewegungen verrichten. Doch werden sie in modernen Anlagenkonzepten meist durch pneumatische oder elektrisch angetriebene Lösungen ersetzt, die Anwendern wesentlich größere Freiräume eröffnen.

Die Vorzüge mechatronischer Lösungen sind ihre hohe Flexibilität und Dynamik sowie die geringen Betriebskosten. Allerdings liegt der Anschaffungspreis elektrisch angetriebener Lösungen auch heute noch um das 2,5- bis 3-fache höher als bei pneumatischen Systemen. Wer also stets identische Teile montiert und kaum über mechatronisches Know-how verfügt, macht in der Regel mit einer pneumatischen Lösung nichts falsch.

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Pneumatische Lösungen

So ist für einfache Pick&Place-Anwendungen die Kombination zweier pneumatisch angetriebener Linearmodule ideal. Indem die entsprechenden Größen, Modelle und Aufbausysteme miteinander kombiniert und die Endlagen eingestellt werden, lassen sich solche Lösungen individuell an die jeweiligen Anwendungen anpassen. In der Montage-Automation sind bei gängigen Hüben von 200 mm horizontal und 100 mm vertikal auf diese Weise Zykluszeiten von 1,2 s erreichbar. Mit modular aufgebauten Pneumatiklösungen sind sogar Hübe bis 1500 mm möglich.

Für hochpräzise Highspeed-Anwendungen gibt es zudem mittlerweile pneumatische Lösungen, die bis zu 120 Picks pro Minute schaffen. Die kompakten Tempomacher gewährleisten dabei Wiederholgenauigkeiten von 0,01 mm. Im Gegensatz zu konventionellen pneumatischen Lösungen sind bei ihnen die horizontale und die vertikale Bewegung miteinander verschliffen und über eine Kurvenrolle zwangsgeführt. So können beide früher geschaltet werden, was die Zykluszeiten gegenüber konventionellen pneumatischen Pick&Place-Lösungen um rund 50 % verkürzt.

Die vergleichsweise kostengünstigen Einheiten lassen sich schnell und einfach in Betrieb nehmen. Hübe sind über die Endlage einstellbar. Um die Energie-Effizienz zu erhöhen, minimiert eine optionale Ventilbox den Druckluft- und damit den Energieverbrauch und beschleunigt zugleich die Taktung. Der Wartungsaufwand beschränkt sich bei den Pneumatik- Einheiten auf die Stoßdämpfer, die nach jeweils vier bis fünf Millionen Zyklen ausgewechselt werden müssen.

Spindeln und Riemen fürs Grobe

Während pneumatische Lösungen üblicherweise nur bis zu zwei Zwischenpositionen bieten, eröffnen Lösungen mit elektrischen Antrieben den Anwendern große Freiräume. Konventionelle, modular aufgebaute Pick&Place- Lösungen arbeiten dabei meist in Z-Richtung mit einem Spindel- und in Y-Richtung mit einem Zahnriemenantrieb. Dieser ist vergleichsweise kostengünstig und erreicht Geschwindigkeiten bis 8 m/s. Zudem stellen elektrische Lösungen konstante, hohe Kräfte zur Verfügung, was theoretisch Zuladungen bis 800 kg erlaubt. Nicht zuletzt sind mit ihnen extrem große Hübe bis acht Meter realisierbar. Obwohl beide Werte in der klassischen Montage-Automation keine Rolle spielen, zeigen sie doch die große Bandbreite möglicher Anwendungen auf. Aufgrund der selbsthemmenden Wirkung des Spindelantriebs sind derartige Konzepte sogar ohne zusätzliche Absenksperre bei sicherheitsrelevanten Anwendungen einsetzbar.

Für die automatisierte Montage kleiner Teile eignet sich die konventionelle elektrische Lösung allerdings nur bedingt. Weil sowohl Spindel- als auch Zahnriemenantrieb nicht besonders steif sind, lassen sich mit der Lösung lediglich Wiederholgenauigkeiten von etwa 0,1 mm gewährleisten. Aufgrund der recht umfangreichen Mechanik sind zudem regelmäßig Verschleißteile auszutauschen, was zusätzlichen Wartungsaufwand verursacht. Bei der hochpräzisen Montage kleiner Bauteile stößt eine konventionelle elektrisch angetriebene Lösung daher an ihre Grenzen und auch bei sehr kleinen Hüben ist sie schnell überfordert.

In beiden Fällen empfiehlt es sich, auf Achsen mit Lineardirektantrieb auszuweichen, bei denen zwischen Motor und Schlitten nur eine einzige Schnittstelle liegt. Sie arbeiten deutlich präziser und schneller, sind nahezu wartungsfrei und ermöglichen zuverlässig Wiederholgenauigkeiten unter 0,01 mm. Allerdings sind die Lösun- gen bei der Anschaffung deutlich kostspieliger als pneumatische oder konventionell elektrische Lösungen. Dies gilt umso mehr, je größer die Achsen sind.

Varianten mit elektrischem Linearantrieben

Bei direkt angetriebenen Linearmodulen sind sowohl der Hub als auch die Antriebskräfte individuell definier- und regelbar. Vor allem bei häufig wechselnden Teilen zahlt sich diese Flexibilität schnell aus. Bei Fügeprozessen lässt sich zudem die jeweilige Kraft über den Regler messen. Konkret sind mit Lineardirektantrieben Hübe in der Größenordnung von 3800 mm möglich. Bei Highspeed-Anwendungen wirkt sich allerdings nachteilig aus, dass der Motor der Vertikalachse jeweils mitbewegt wird. Das erhöht zum einen bei hohen Geschwindigkeiten die Gefahr eines Kabelbruchs. Zum anderen ist aufgrund des Motors immer eine relative hohe Masse zu bewegen, was die Effizienz verringert.

Wie bei den Pneumatiklösungen gibt es mittlerweile im Bereich der lineardirekt angetriebenen Pick&Place-Einheiten sehr kompakte Lösungen. So kommt zum Beispiel die so genannte PPU-E-Einheit von Schunk komplett ohne bewegte Motorkabel aus, da bei ihr der Motor der Vertikalachse ebenfalls feststeht. Mit einer Zykluszeit von gerade einmal 0,58 s inklusive Schalt- und Greifzeiten bei 40 mm Vertikalhub, 120 mm Horizontalhub und 2 kg bewegter Masse sowie einer Wiederholgenauigkeit unter 0,01 mm ist sie prädestiniert für die Montage kleiner Teile.

Sämtliche Zuleitungen für Strom, Steuerung, Sensorik und Pneumatik werden bei der kompakten Einheit am rückwärtigen, stationären Anschluss eingesteckt. Kabelbrüche und Anlagenstörungen sind damit nahezu ausgeschlossen. Die frei programmierbare Einheit ist für bis zu 100 mm Vertikalhub, 270 mm Horizontalhub sowie 3 kg bewegte Masse ausgelegt und eignet sich mittels Kraftregelung auch für Fügeprozesse, für das Einpressen und zum Messen von Kräften. Um die zahlreichen Optionen einer solchen Lösung voll ausschöpfen zu können, ist von den potenziellen Anwendern jedoch entsprechende Erfahrung mit mechatronischen Lösungen gefragt.

Autor: Jakob Khoury arbeitet im Bereich Produktmanagement Modulare Montageautomation bei Schunk.