Flexible Steuerung von Greifelementen

Wittenstein AG: Lernen von der Spinne

| Autor / Redakteur: Carolin Ank, Produktmanagerin, und Jan Rohde, Technischer Vertrieb, Wittenstein / Silvano Böni

Die Greiferspinne des österreichischen Maschinen- und Anlagenbauers Fill ist ein innovatives Handlingsystem für das automatisierte Fertigen von CFK- und GFK-Bauteilen.
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Die Greiferspinne des österreichischen Maschinen- und Anlagenbauers Fill ist ein innovatives Handlingsystem für das automatisierte Fertigen von CFK- und GFK-Bauteilen. (Bild: Wittenstein)

Spinnen können ihre Beine unabhängig voneinander bewegen; dadurch ist es ihnen möglich, sich beim Laufen jedem Untergrund anzupassen. Mindestens so flexibel wie die Extremitäten dieser Gliederfüssler arbeitet auch die Greiferspinne des Maschinen- und Anlagenbauers Fill – dank Kleinservoantriebssystemen von Wittenstein.

Insgesamt 19 industrietaugliche Kleinservomotoren der Baureihe «Cyber Dynamic Line», jeweils in Verbindung mit einem kompakten Antriebsverstärker «Simco Drive», ermöglichen präzise und filigrane Bewegungsabläufe, die stufenlos und unabhängig voneinander angesteuert werden können. Neun dieser Kleinservomotoren positionieren je einen Vakuumsauger vertikal über einen Spindeltrieb. Mit ihnen nimmt die Greiferspinne zum einen PU-Kerne in verschiedenen Dimensionen und zum anderen unterschiedliche flache Composite-Zuschnitte auf, die dabei für den Verarbeitungsprozess vorgeformt werden. Die übrigen Kleinservomotoren verfahren die Sauggreifer formatabhängig in der Horizontalen; ebenfalls mittels Spindeltrieb. Alle Servoantriebe sind in der Einkabeltechnik ausgeführt – und über eine Energiekette auf je einen Simco Drive im Schaltschrank verdrahtet. Der Einsatz der Energiekette ist nur dank der schleppkettentauglichen Kabelausführung, welche zuverlässig gegen EMV geschützt ist, möglich. Die im Einsatz befindlichen Hybridstecker vereinfachen die Montage und Wartungsarbeiten.

Greiferspinne für Verbundbauteile: Prototyp industrietauglich weiterentwickelt

«Im Rahmen des EU-Förderprojektes Lowflip haben wir den von der spanischen Forschungsgesellschaft Tecnalia konzipierten Prototypen der Greiferspinne zu industrietauglicher Serienreife weiterentwickelt», erläutert Michael Schneiderbauer von der Produktentwicklung bei Fill. Lowflip steht für LOW Cost Flexible Integrated Composite Process und hat zum Ziel, neue Prozesse zur flexiblen, automatisierten Fertigung von Verbundbauteilen aus Kohlefaserstoffen (CFK) und Glasfaserstoffen (GFK) zu entwickeln. «Eine der zentralen Ideen dabei ist, den Schichtaufbau und das Aushärten der Bauteile, die zum Beispiel als Domstreben in Automobilen zum Einsatz kommen, auf einem einzigen Werkzeug zu realisieren», so Michael Schneiderbauer. «Dies wiederum erfordert ein hochgradig bewegliches Handlingssystem, das verschiedene Linearpositionen ohne mechanisches Umrüsten flexibel anfahren kann, um die unterschiedlich dimensionierten Composite-Zuschnitte und PU-Kerne aufnehmen, vorformen und absetzen zu können.»

Kompetenz in der Compositeverarbeitung

Diese technologische Herausforderung war wie geschaffen für Fill. Das Unternehmen mit seinen etwa 700 Mitarbeitern ist ein international führender Hersteller von Maschinen und Anlagen, unter anderem zur Produktion und Verarbeitung von Verbundwerkstoffen. Eingesetzt werden diese sogenannten Composites unter anderem im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Sportsegment, im Energiesektor oder dem Bereich Holz- und Bautechnik. «100 Prozent der namhaften Ski- und Snowboardproduzenten vertrauen auf Fill und etwa 80 Prozent der europäischen Automobile fahren mit Fill-Technologie», nennt Michael Schneiderbauer beim Besuch im Technologie- und Innovationscenter am Firmensitz in Gurten zwei prägnante Beispiele. «Die Wertschöpfung findet grösstenteils im eigenen Haus statt – bei Bedarf unterstützt durch regionale Partner als verlängerte Werkbank», erklärt der Produktentwickler.

Leicht, flexibel, kosteneffizient – Greiftechnik einer neuen Generation

Die Entwicklung des flexiblen Greifers, der verschiedene Zuschnitte des CFK- beziehungsweise GFK-​Materials sowie Kerne und Inserts aufnehmen und auf dem Werkzeug platzieren kann, ist eine von mehreren Aufgabenstellungen innerhalb des EU-Projektes Lowflip. Fill hat sich neben der grundsätzlichen Industriereife des Spinnengreifers – unter anderem Schutzart IP54, ProfiNet-Schnittstelle und einfache Inbetriebnahme – drei besondere Ziele vorgegeben: «Höchste Flexibilität beim Greifen, deutliche Gewichtsreduzierung des Endeffektors und minimierte Total Cost of Ownership, das heisst Kosteneffizienz bei Beschaffung und Betrieb eines solchen Handlingssystems», fasst Michael Schneiderbauer zusammen. «Mit dem Einsatz von Carbonrohren für die tragende Struktur sowie den Kleinservomotoren von Wittenstein haben wir eine Gewichtsreduktion des Greifers von mehr als 50 Prozent erreicht. Dies schlägt sich sowohl in der Auslegung des Roboters selbst nieder, der nun auch eine Nummer kleiner und entsprechend preiswerter sein kann, als auch in den Betriebskosten, vor allem in einer signifikanten Energieeinsparung.»

Filigran, fast schon grazil sieht sie daher aus – die neue Greiferspinne. Die Kleinservoantriebssysteme von Wittenstein fügen sich aber nicht nur optisch bestens ein, sondern sorgen auch für äus­serst präzise und hochgradig flexible Bewegungsführungen – was mit einer Ansteuerung über Pneumatik so nicht möglich ist.

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Ideal kombiniert: Kleinservomotor mit Kompakt-Verstärker

Die mechatronische Komplettlösung für die Greiferspinne besteht zum einen aus dem Antriebsverstärker Simco Drive. Der Antriebsverstärker ist – wie bei Fill eingesetzt – als Schaltschrankvariante in IP20 verfügbar, aber auch als Ausführung in Schutzart IP65 für die Montage im direkten Maschinenumfeld. Für die Feldbusintegration stehen zudem verschiedene Schnittstellen wie CANopen oder EtherCAT zur Verfügung. Fill hat sich aufgrund der vorhandenen Siemens-Steuerung für die Simco-Drive-Version mit Profinet-Interface entschieden – «eines der wenigen Kleinservoantriebssysteme mit Profinet auf dem Markt», so Michael Schneiderbauer. Die grafische Benutzerschnittstelle MotionGUI des Simco Drive sorgt für eine intuitive Führung des Bedieners bei der Inbetriebnahme, der Diagnose sowie im Servicefall.

Teil zwei des Mechatronik-Duos ist ein industrietauglicher Kleinservomotor der Baureihe Cyber Dynamic Line. Dieser ist je nach Aufgabenstellung in verschiedenen Baugrössen und Leistungsbereichen verfügbar. «In der Greiferspinne ist ein Servomotor mit einem Aussendurchmesser von 32 mm und einer Nennleistung von 110 Watt integriert», erklärt Michael Schneiderbauer. «Die runde Bauform passt vom Design her sehr schön in die mechanische Ausführung des Carbonrohr-Rahmens.» Auch die Leistungsdaten sind ideal: «Mit seinem Gewicht von nur etwa 220 Gramm ist dieser Motor deutlich leichter als vergleichbare Antriebe auf dem Markt.»

Lage für Lage: Schichtaufbau in einem Werkzeug

Die besondere Prozessinnovation, die Fill mit der neuen Greiferspinne realisiert, ist das lagenweise Schichten und Aushärten der verschiedenen Composite-Bestandteile in einem Werkzeug. Zu Beginn des Handlings werden die Greifpositionen entsprechend der zu verarbeitenden Lagenformate – von 300 x 100 bis 1300 x 400 mm – aus dem CAD in die Maschinensteuerung übernommen. Diese positioniert zunächst die Sauggreifer in x- und y-Richtung, bevor sie dann innerhalb eines Linearhubes von 100 mm entsprechend der Höhe der Composite-Matte beziehungsweise des PU-Kerns vorpositioniert werden. Während die Greiferspinne durch den Roboter abgesenkt wird, werden die Sauggreifer durch die Kleinservomotoren passend zur Geometrie individuell an das Werkstück herangefahren, so dass sie dieses mit Unterdruck aufnehmen können. «Nachdem eine Matte gegriffen wurde, wird sie durch Verfahren der Achsen vorgeformt, um ein faltenfreies Ablegen auf dem Werkzeug zu gewährleisten», beschreibt Michael Schneiderbauer den Prozess. «Danach wird die Matte vakuumiert und bei ca. 80 °C umgeformt. Als zweite Lage setzt die Greifspinne jetzt den PU-Kern auf die erste Matte. Im letzten Schritt wird über die Greifeinheit millimetergenau und vorgeformt die zweite Composite-Matte aufgelegt und in weiterer Folge das gesamte Bauteil bei 120 °C ausgehärtet. Dann ist das Compositebauteil aus faserverstärkten Kunststoffen fertig, ohne dass das Gewebe wie in bisherigen Verfahren zwischen den einzelnen Prozessschritten aufwendig gehandelt und gelegt werden musste.»

Greiferspinne: Handlingslösung mit interessantem Marktpotenzial

Mit der Greiferspinne für das automatisierte Handling von Composite-Bauteilen ist Fill eine handhabungstechnische Lösung gelungen, die für viele Branchen und Anwendungen interessant sein dürfte. Hierzu gehören unter anderem weitere Prozesse der CFK- und GFK-Verarbeitung, das Handling von Folien, die Cutter-Automation und Transfersysteme für das Stapeln oder die Prozesszuführung von Werkstücken. Das punktgenaue Anfahren unterschiedlicher Greifpositionen durch die intelligenten Antriebssysteme von Wittenstein bietet auch in diesen Applikationen die notwendige Flexibilität für eine prozessgerechte und wirtschaftlich effiziente Handhabungslösung.

Professionelle Engineering-Unterstützung im gesamten Projekt

Auch wenn die Komponenten der mechatronischen Lösung perfekt aufeinander abgestimmt sind, war es doch hilfreich, sich gemeinsam Gedanken über die Auswahl der Antriebe zu machen – und beispielsweise mit der Auslegungssoftware Cymex 5 zu arbeiten. «Hier haben wir von Wittenstein professionellen Support erhalten, der massgeblich zu einer funktionsgerechten und effizienten Auslegung der Antriebslösung sowie der schnellen Umsetzung beigetragen hat», blickt Michael Schneiderbauer zurück. «Im Vorversuch wurde zunächst verifiziert, wie einfach sich die Inbetriebnahme gestaltet.»

Perfekte Antriebslösung für bewegte Maschinenstrukturen

Wer platzsparende Antriebslösungen sucht, dem bietet Wittenstein mit dem kompakten Antriebsverstärker Simco Drive und der innovativen Kleinservomotoren-Baureihe Cyber Dynamic Line eine ideale Technologie-Konstellation mit hohem Performance-Potenzial. So führt die Verfügbarkeit von Motor und Regler aus einer Hand zu technisch optimalen Lösungen – und das ohne Schnittstellenrisiken. Verschiedene Bus-Systeme ermöglichen die freie Anbindung an übergeordnete Steuerungen. Eine Parametrierung ist nicht erforderlich – was die Inbetriebnahme beschleunigt. Dies bestätigt Michael Schneiderbauer: «Wir konnten das System in geringer Zeit ohne weitere Unterstützung intuitiv in Betrieb nehmen.» Das Ein-Kabel-Konzept zur Verbindung von Verstärker und Motor ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Verkabelung. Zudem spart sie Gewicht ein – ebenso wie die leistungsdichte Ausführung der Kleinservomotoren selbst. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn Maschinenstrukturen wie zum Beispiel die Greiferspinne energieeffizient bewegt und Kabel darin platzsparend geführt werden müssen. Schliesslich passt die Performance der Antriebsverstärker perfekt zu den Leistungspotenzialen der Kleinservomotoren – eine Garantie für höchstmögliche Dynamik in nahezu jeder Anwendung.

Für Maschinenbauer wie Fill, aber auch für Integratoren und Endanwender bietet das industrietaugliche Kleinservoantriebssystem somit viele wichtige Vorteile, die immer wieder neue Horizonte eröffnen. SMM

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