Mit dem Wachstum und der Verbreitung von kollaborativen Robotern ist der Bedarf für eine Vielzahl von Greifern und Endeffektoren allgemein gestiegen. Eine der anspruchsvolleren Anwendungen ist die automatisierte Ab- und Vermessung kleiner Teile. Ein derartiges Gerät muss eine hochauflösende Positionierung mit Auflösungen von bis zu 2,5 Mikrometer ermöglichen, die der Entscheidungssoftware in Automatisierungsanwendungen ständig zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund hat New Scale Robotics (NSR), eine Division von New Scale Technologies, beschlossen, einen ihrer neuesten Greifer zu entwickeln und herzustellen.
Der Präzisions-Parallelgreifer NSR-PG-10-20 für kleinste kollaborative Roboter ist ein mechatronisches System, bei dem Motor, Sensoren, Präzisionslagerführungen, Antriebs- und Steuerelektronik sowie eingebettete Firmware für die Automatisierung in eine Vorrichtung integriert sind. Während der Entwicklung entschied NSR, dass der Greifer eine Plug-and-Play-Integration bieten musste, die sich innerhalb von Minuten in die kleiner Cobots von Universal Robots installieren lässt. Der NSR-PG-10-20 bietet dem Anwender geringste Größe und Masse bei höchster Präzision. Alle Leistungs- und Steuerschaltungen werden durch die Werkzeugaufnahme und die Schleifringe des Roboters geführt, sodass keine externen Kabel oder Elektronikplatinen erforderlich sind. Bei der Installation wird der Greifer einfach am Werkzeugflansch des UR-Roboters montiert und dann wird das einzelne Kabel mit dem UR-Werkzeug-E/A-Anschluss verbunden. Bewegungsbefehle werden über die 8-polige Werkzeug-E/A-Schnittstelle des Roboters empfangen. Es sind keine externen Drähte oder separate Elektronik erforderlich, sodass das Handgelenk des UR-Roboters eine vollständige 360-Grad- oder unendliche Drehung ausführen kann, ohne dass Kabel die Bewegung behindern.
Der Greifer verfügt über einen internen Absolutpositionssensor, der speziell für automatisierte Messanwendungen entwickelt wurde und hohe Präzision zur Handhabung komplexer Kleinteile, Messung, Sortierung und Montage bietet. Die Greifer mussten über einen langen Lebenszyklus wiederholt schnelle und präzise Bewegungen ausführen.
Präzise Bewegungssteuerung
Während der Entwicklung untersuchte NSR die Anforderungen an ihren Präzisions-Parallelgreifer und wählte den von maxon entwickelten und hergestellten bürstenlosen Gleichstrommotor EC-20 Flat (BLDC). Dieser Motor ist mit bis zu fünf Wicklungstypen sowie eingebautem Drehgeber erhältlich. Er ist mit verschiedenen Leistungen verfügbar, sehr robust und leise im Betrieb. Die Motoren wurden in erster Linie wegen ihrer extrem geringen Masse von nur 15 Gramm und ihres hohen kontinuierlichen Drehmoments von 3,75 mNm ausgewählt. Aufgrund des hervorragenden Drehmoment-Masse-Verhältnisses dieses Motors kann der NSR-PG-10-20 eine einstellbare Greifkraft von ±3 bis 10 N bei einem moderaten Übersetzungsverhältnis von 16:1 erzielen. Der Greifer wird durch einen symmetrischen Zahnriemen mit einer Weite von 20 mm angetrieben. Außerdem passten Betriebsspannung, -strom und Drehmoment gut zur internen Stromversorgung des Roboters.
Der BLDC-Rotationsmotor treibt ein Untersetzungsgetriebe zu einem Zahnriemen an, der die Rotation in eine lineare Bewegung umwandelt. Ein separater Winkelsensor dient zur Messung des Motorwellenwinkels, während eine separate digitale Elektronik den für den Betrieb des Drehstromantriebs erforderlichen Strom erzeugt. Dieser Mechanismus erzeugt die lineare Bewegung, die zum Öffnen und Schließen der Greiferfinger für das Greifen und Loslassen von Kleinteilen erforderlich ist. Je nach Anwendung können die Greiferfinger das Teil an der Außen- oder an der Innenseite greifen. Dank des erwähnten integrierten Sensors beträgt die lineare Auflösung des Greifers zur Vermessung von Teilen 2,5 Mikrometer. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit des Greifers beträgt 20 mm/Sekunde und der Öffnungs- und Schließbereich liegt bei 20 mm. David Henderson, CEO von NSR, sagt: „Das Schwierige bei der Entwicklung war, die geringe Größe, Höhe und geringe Masse des Greifers beizubehalten und gleichzeitig die Positions- und Geschwindigkeitsgenauigkeit geschlossener Regelkreise zu erzielen. Es war auch eine Herausforderung, einen Motor mit geringer Leistungs- und Stromaufnahme zu finden, den wir an die interne Stromversorgung des Roboters anschließen konnten.“ Mit dem EC-20 Flat von maxon gelang es NSR, die Leistung zu erzielen, die für das Produkt erforderlich war, das ihre Kunden am dringendsten benötigten – und das dennoch einfach zu installieren und zu bedienen ist. Die mechanische Integration war das Einfachste von allem. Das Unternehmen verwendete einen EC-20 Flat ohne Winkelsensor und lieferte stattdessen einen eigenen externen Winkelsensor für die Kommutierung. „Wir gehen davon aus, dass wir in Zukunft unsere Produktpalette um Greifer mit höheren Greifkräften – und entsprechend höheren Massen und stärkeren Motoren –, größeren Greifweiten und eingebetteten Kraftsensoren zur Verbesserung der Kraftsteuerung erweitern werden“, sagt Henderson.
Der Greifer ist mit austauschbaren Fingern ausgestattet. Der NSR-PG wird mit werksseitig installierten Fingern geliefert, sodass die Anwender ihn direkt einsetzen können. Man kann dem Greifer auch Fingerpositionen beibringen, wenn er mit den Robotern UR3, UR5, UR10 sowie der neuesten Produktlinie der eSeries Robots, den Robotern UR3e, UR5e und UR10e von Universal Robots, verwendet wird. Dazu bringt man die Finger mit der Hand in die gewünschte Position und stellt diese mit dem Programmierhandgerät ein – mit diesem Verfahren ist jeder vertraut, der bereits einen UR-Roboter im Teach-Modus eingesetzt hat. Die Position ist mit 0,01 mm Genauigkeit wiederholbar. Indem man die Fingeröffnungs- und Schließpositionen für ein Werkstück des Anwenders einstellt, lässt sich die Fingerbewegung (Takt) bei jedem Vorgang minimieren, was Zeit- und Energieeinsparungen erzielt.
Insgesamt kann der Anwender sich wiederholende, arbeitsintensive Mess- und Qualitätskontrollaufgaben mit dem NSR-PG-10-20 automatisieren, sodass der UR-Cobot zu einem leistungsfähigen Werkzeug für messtechnische Anwendungen wird.
Die Suche nach dem richtigen Motor für eine derart spezielle Anwendung kann eine gewaltige Aufgabe sein. Da NSR die neueste Technologie in einem Motor mit geringsten Baumaßen zur Verfügung stand, konnte das Unternehmen die Anforderungen seiner Kunden erfüllen. Der maxon EC-20 Flat war eine wesentliche Komponente bei der Entwicklung und Herstellung des Präzisions-Parallelgreifers NSR-PG-10-20.
