Intelligenter Greifer für kleine Cobots

Den richtigen Motor für kleine Präzisionsgeräte anzubieten, kann eine Herausforderung sein. 

Mit dem zunehmenden Einsatz von kollaborativen Robotern ist auch der Bedarf an einer Varianten-Vielfalt bei Greifern und Endeffektoren generell gestiegen. Zu den anspruchsvolleren Anwendungen zählt die automatisierte Vermessung kleiner Teile. Ein dieser Aufgabe gewachsenes Gerät muss eine Positionierung mit Auflösungen von bis zu 2.5 Mikrometern ermöglichen, die der Entscheidungssoftware in Automatisierungs-Applikationen ständig zur Verfügung stehen. Genau dieses Ziel verfolgte New Scale Robotics (NSR), eine Division von New Scale Technologies, mit einem ihrer neuesten Greifer. 

NSR-PG-10-20 heisst der Präzisions-Parallelgreifer für kleinste kollaborative Roboter. Dabei handelt es sich um ein mechatronisches System, bei dem Motor, Sensoren, Präzisionslagerführungen, Antriebs- und Steuerelektronik sowie eingebettete Firmware für die Automatisierung integriert sind. NSR entwickelte eine Plug-and-Play-Integration, die sich binnen Minuten in die Serie kleiner Cobots von Universal Robotics (UR) installieren lässt. Der NSR-PG-10-20 bietet minimale Grösse und Masse bei maximaler 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. Dann wird das einzelne Kabel mit dem E/A-Anschluss für UR-Werkzeuge verbunden. Bewegungsbefehle werden über die 8-polige Werkzeug-E/A-Schnittstelle des Roboters empfangen. Es sind weder externe Drähte noch eine separate Elektronik erforderlich. Auf diese Weise kann das Handgelenk des UR-Roboters eine vollständige 360-Grad- oder unendliche Drehung ausführen, ohne dass Kabel die Bewegung behindern. 

Im Präzisions-Parallelgreifer NSR-PG-10-20 sind die maxon Motoren EC 20 flat für hochpräzise Anwendungen verbaut

Der Präzisions-Parallelgreifer 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 müssen über einen langen Lebenszyklus wiederholt schnelle und präzise Bewegungen ausführen können. 

Präzise Bewegungssteuerung

Während der Entwicklung untersuchte NSR die Anforderungen an ihren Präzisions-Parallelgreifer und wählte den von maxon entwickelten und hergestellten bürstenlosen DC-Motor EC 20 flat (BLDC). Dieser Motor ist mit bis zu fünf Wicklungstypen sowie eingebautem Encoder erhältlich. Er ist mit verschiedenen Leistungen verfügbar, robust und leise im Betrieb. Die Motoren wurden in erster Linie wegen ihrer extrem geringen Masse von nur 15 Gramm und ihres hohen Dauerdrehmoments von 3.75 mNm ausgewählt. Aufgrund des guten Drehmoment-Masse-Verhältnisses dieses Motors kann der NSR-PG-10-20 eine einstellbare Greifkraft von ±3 N bis 10 N bei einem moderaten Übersetzungsverhältnis von 16:1 erzielen. Der Greifer wird durch einen symmetrischen Zahnriemen mit einer Weite von 20 Millimeter angetrieben. Ausserdem passten Betriebsspannung und -strom sowie 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 sorgt für 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 Innenseite greifen. Dank des integrierten Sensors beträgt die lineare Auflösung des Greifers zur Vermessung von Teilen 2.5 Mikrometer. Die Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeit des Greifers beträgt 20 Millimeter pro Sekunde und der Öffnungs- und Schliessbereich liegt bei 20 Millimetern. 

David Henderson, CEO von NSR, erläutert: «Das Schwierige bei der Entwicklung war, die geringe Grösse, Höhe und 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 nötige Leistung für das dringend benötigte Produkt zu erzielen und eine einfache Installation und Bedienung zu ermöglichen. Am einfachsten gestaltete sich die mechanische Integration. Das Unternehmen entschied sich für einen EC 20 flat ohne Winkelsensor und integrierte 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 EC 20 flat von maxon ist der kleinste Motor mit dem richtigen Drehmoment, um die Anforderungen des Präzisions-Parallelgreifers NSR-PG-10-20 optimal zu erfüllen

Die Greiferfinger lassen sich austauschen. Der NSR-PG wird mit werksseitig installierten Fingern geliefert und ist daher sofort einsatzbereit. Wird der Greifer mit den Robotern UR3, UR5, UR10 oder der neuesten Produktlinie der eSeries Robots, den Robotern UR3e, UR5e und UR10e von Universal Robots verwendet, so kann man ihm auch Fingerpositionen beibringen. Dazu bewegt man die Finger mit der Hand in die gewünschte Position und stellt diese mit dem Programmierhandgerät ein – ein Verfahren, mit dem alle vertraut sind, die bereits einen UR-Roboter im Teach-Modus eingesetzt haben. Die Position ist mit einer Genauigkeit von 0.01 Millimeter wiederholbar. Indem man die Fingeröffnungs- und -schliesspositionen für ein Werkstück einstellt, lässt sich die Fingerbewegung (Takt) bei jedem Vorgang minimieren. Das spart Zeit und Energie. Mit dem NSR-PG-10-20 lassen sich wiederholende, arbeitsintensive Mess- und Qualitätskontrollaufgaben automatisieren, sodass der UR-Cobot zu einem leistungsfähigen Werkzeug für messtechnische Anwendungen wird. 

Die Suche nach dem richtigen Motor für eine derart spezielle Anwendung ist keine leichte Aufgabe. 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 Schlüsselkomponente bei der Entwicklung und Herstellung des Präzisions-Parallelgreifers NSR-PG-10-20. 

Weitere Informationen finden Sie unter newscalerobotics.com