Grundlagen der pneumatischen Greifer für industrielle Anwendungen

Pneumatische Greifer sind elektromechanische Geräte, die in industriellen Anwendungen zum Greifen und Heben, Halten, Drehen und Ablegen von Gegenständen an bestimmten Stellen eingesetzt werden. Diese Greifer werden in der Regel an den äußersten Enden von Werkstückbearbeitungsmaschinen oder sechsachsigen, kartesischen oder selektiv nachgiebigen Roboterarmen (SCARA) als Endeffektoren zur Ausführung verschiedener Materialhandhabungsaufgaben installiert. Dank der in den letzten Jahrzehnten erzielten Fortschritte bei Steuerungen, Sensoren und Rückkopplungsanschlüssen sind die Bewegungen pneumatischer Greifer (vor allem beim Greifen und Loslassen) in der Regel mit denen der Maschinenachse oder des Roboterarms, an dem sie befestigt sind, koordiniert.

Pneumatischer Greiferbetrieb

Abbildung 1: Hier ist ein pneumatischer Zweifingergreifer am Ende eines Roboterarms zu sehen. Die Kieferfinger stellen den physischen Kontakt mit dem zu greifenden Objekt her und ermöglichen es dem Greifer, Objekte zu halten und loszulassen. (Bildquelle: Kazakov - Getty Images)

Abbildung 2: Parallel-, Dreifinger- und Winkelgreifer sind die drei häufigsten Greifertypen in industriellen Anwendungen. Der hier gezeigte pneumatische Dreifingergreifer hat um 120° versetzte Finger, um O-Ringe sanft zu dehnen und auf Empfängerschäfte zu montieren. (Bildquelle: Schunk)

Pneumatische Greifer sind bei weitem der am häufigsten verwendete Greifertyp für industrielle Anwendungen wie Bestückungsroboter, Werkzeugmaschinen, Werkstückbearbeitung und Montageaufgaben. Obwohl einige pneumatische Greifer die Form von Blasen- und Saugnapf-Endeffektoren haben, sind pneumatische Greifer mit Fingern oder Backen am weitesten verbreitet und werden im Allgemeinen angenommen, wenn kein anderer Kontext gegeben ist.

Pneumatische Greifer werden mit Druckluft betrieben. Auf ein Befehlssignal hin lassen Ventile Luft durch interne Kanäle strömen und aktivieren mechanische Verbindungen, die wiederum die Greiferfinger öffnen und schließen. Zu diesem primären Satz von Teilkomponenten gehören Pneumatikschläuche, Steuerungskomponenten und Verkabelung, Montageflansche zur Befestigung an Maschinen und Robotern, Ausfallsicherungsmechanismen und ein Gehäuse, das diese Komponenten umschließt.

Obwohl die gelöste Position (gehalten durch eine mechanische Druckfeder) in der Regel die Standardposition ist, gibt es auf dem Markt auch Greiferkonstruktionen, die standardmäßig auf Greifen eingestellt sind. In der geschlossenen (Greif-)Position sorgt eine Feder für die Greifkraft ... und das Einlassen von Druckluft in den Greifer dient zum Öffnen der Backen. Bestimmte Greifer nutzen Druckluft sowohl zum Greifen als auch zum Lösen der Kraft.

Video 1: Bei einer gängigen Variante wird der pneumatische Greifer über einen Spezialschlauch an ein Druckluftsystem angeschlossen. Die Kraft der Druckluft verdrängt einen Kolben, der wiederum (über ein Getriebe, ein Kniehebel- oder ein Schiebergestänge) die äußeren Backen über ihren Hubbereich bewegt. (Videoquelle: Schunk)

Die Steuerung der Luftzufuhr zu einem pneumatischen Greifer hängt oft von vorprogrammierten Greif-Löse-Zyklen ab ... oder (in anspruchsvolleren Anwendungen) von der Rückmeldung von Sensoren, die gehaltene Objekte erkennen.

Arten von pneumatischen Greifern

Abbildung 3: Die Zweifinger-Parallelgreifer der Schunk-Baureihe PGN-plus verfügen über lange Backenhübe und sind mit Dichtungen, schmutzunempfindlichen runden Linearführungen und hochfesten Gehäusen aus Aluminiumlegierung für den Einsatz in schmutzigen Industrieumgebungen ausgestattet. (Bildquelle: Schunk)

Pneumatische Backen- und Fingergreifer werden nach ihren Eigenschaften klassifiziert:

• Kinematische Anordnung, Anzahl der Finger, Wirkung und Art der Befestigung
• Physische Größe und maximale Greifkraft
• Backen- und Gehäusekonstruktion - einschließlich des Schutzniveaus gegen Eindringen
• Anbindung an gängige industrielle Steuerungsnetzwerke

Pneumatische Zweifingergreifer, die erstmals in den 1970er Jahren auf den Markt kamen, sind heute die am weitesten verbreiteten - sie machen mehr als die Hälfte aller pneumatischen Greiferanwendungen aus. Die Finger in diesen Designs gleiten oder schwingen an Drehpunkten, um sich wie ein Tor oder ein Hummergreifer um Zielobjekte zu schließen. Sie können entweder eine parallele Backenbewegung oder eine abgewinkelte Fingerbewegung verwenden.

Pneumatische Greifer mit paralleler Backenbewegung: Bei Parallelgreifern gleiten die beiden Finger in geradliniger Bewegung auf der gleichen Achse entlang von Bahnen im oberen Greiferkörper nach innen und nach außen. In der Regel ist es die nach innen gerichtete Gleitbewegung, die die Werkstücke oder andere Gegenstände festhält. Es gibt jedoch zahlreiche Anwendungen, bei denen die beiden Finger nach außen gleiten, um hohle oder offene Werkstücke (wie z. B. O-Ringe oder Zylinder) an ihrem Innendurchmesser zu halten. Die Vorteile dieser einfach zu verwendenden Greifer sind vielfältig. Die verschiedenen Teilkomponenten für solche Greifer sind einfacher herzustellen als andere, was diese Greifer sehr kostengünstig macht. Hinzu kommt eine gleichmäßige Greifkraft über den gesamten Fingerhub - das erleichtert die Arbeit bei Anwendungen mit zerbrechlichen oder anderweitig druckempfindlichen Werkstücken. Schließlich können Parallelgreifer so konstruiert werden, dass sie ziemlich weit schließen und öffnen können - sogar bis zu einem Meter oder mehr.

Pneumatische Greifer mit abgewinkelter Fingerbewegung: Bei diesen Greifern sind die betätigten Enden der Finger an einem festen Drehpunkt gelagert. Bei Anlegen einer pneumatischen Kraft bewirken eine Kolbenbewegung und ein mechanisches Keilelement, dass die Finger wie eine Flügeltür geschlossen (oder in anderen Varianten geöffnet) werden. In der geöffneten Position ragen die Backen über den Greiferkörper hinaus oder stehen gerade ab. In der geschlossenen (typischerweise greifenden) Position neigen sich die Spitzen der Greiffinger nach innen und schließen sich zu einer konischen Greifform. Ein konstruktiver Nachteil bei der Verwendung dieser Greifer ist, dass abgewinkelte Finger im Gegensatz zu parallelen Fingern einen begrenzten Hub haben und eine Greifkraft erzeugen, die entlang des Betätigungswegs variabel ist. Abgewinkelte Fingergreifer mit direkter Kolbenwirkung können jedoch eine außergewöhnlich hohe Greifkraft haben - bis zu 2300 N oder mehr.

Höhere Fingerzahlen: Greifer mit drei und vier Fingern

Wo pneumatische Zweifingergreifer für die Handhabung von Werkstücken ungeeignet sind, können Drei- und Vierfingergreifer (und sogar Fünffingergreifer in speziellen humanoiden Roboteranwendungen) eine bessere Greifunterstützung und Stabilität bieten. Um es klar zu sagen: Alle diese Greifer sind weit weniger verbreitet als Zweifingergreifer ... und nur Dreifingergreifer sind in industriellen Anwendungen üblich. Ihre höhere Anwendbarkeit hat ihren Preis, aber Dreifingergreifer können Werkstücke und andere Gegenstände mit komplexerer oder schwierigerer Geometrie greifen. Sogenannte selbstzentrierende pneumatische Dreifingergreifer verfügen über ein Trio von Fingern, die in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind (120° auf einem Maschinenfutter), so dass die Finger bei einem Betriebswechsel ausgetauscht werden müssen. Diese schließen sich nach innen, um die Werkstücke in einem zentralen Punkt zu greifen. Bei den so genannten adaptiven pneumatischen Dreifingergreifern werden dagegen zwei Finger zusammengeführt und der dritte wie ein Daumen gegenübergestellt. Solche Greifer, die vor allem in der mobilen Robotik eingesetzt werden, können Objekte auf verschiedene Arten aufnehmen, um Variationen einer bestimmten Werkstückgeometrie zu berücksichtigen.

Innengreifend und doppeltwirkend

Obwohl die meisten pneumatischen Greifer für das Greifen oder Umfassen von Teilen an der Außenseite (Kontakt mit den äußeren Objektoberflächen) verwendet werden, sind Innengreifvorgänge für viele Montageanwendungen unerlässlich. Hier öffnen sich die Greiferfinger, um Objekte mit hohlen Geometrien von innen zu greifen. In einigen Fällen können Greifer sowohl für das Außen- als auch für das Innengreifen eingesetzt werden - sie müssen jedoch so konstruiert sein, dass sie beide Funktionen erfüllen.

Pneumatische Backen- und Fingergreifer können auch als einfach- oder doppeltwirkende Greifer ausgeführt sein. Bei einfachwirkenden Greifern wird die Greifbewegung und -kraft durch die Kraft der Druckluft erzeugt. Sobald die Stromzufuhr unterbrochen wird, kehren die Finger dank einer einfachen Druckfeder in ihre ursprüngliche Position zurück und bleiben dort. Im Gegensatz dazu benötigen doppeltwirkende Greifer eine Druckluftbetätigung sowohl für die Greif- als auch für die Lösebewegung. Doppelt wirkende Greifer können, wie oben beschrieben, sowohl innen als auch außen greifen.

Allgemeine Anwendungen für pneumatische Greifer

Abbildung 4: Der Schunk-Greifer PGN-plus hat einen Ovalkolbenantrieb. (Bildquelle: Schunk)

Pneumatische Greifer sind in der Industrie weit verbreitet - insbesondere für automatisierte Arbeitszellen, Montage- und Produktionslinien, Maschinenbedienung in der fortgeschrittenen Fertigung, in gefährlichen Anlagenbereichen und in der Logistik sowie in der automatisierten Lagerhaltung. Eine kleine, aber wachsende Zahl von Anwendungen in der Handels-, Freizeit- und Verbraucherrobotik (einschließlich Mobilitätsbionik) nutzt ebenfalls pneumatische Greifer.

Erwägen Sie pneumatische Greifer für die Materialhandhabung in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung und in Verpackungsanlagen. Hier ist der saubere Betrieb der Pneumatik von Vorteil - und pneumatisch betätigte Fingergreifer ergänzen den Einsatz anderer druckluftbetriebener Blasen- und Sauggreifertypen, um alles von Kisten und Weinflaschen bis hin zu Eiern und Tüten mit Süßigkeiten zu handhaben. Im Gegensatz dazu sind Greifer in Werkzeugmaschinenanwendungen in der Regel nur für einen Werkstücktyp ausgelegt - und in einigen Fällen sogar mit der Aufgabe betraut, diese Werkstücke zu halten, während Bearbeitungen oder andere Prozesse durchgeführt werden. Wenn pneumatische Greifer in der Montage oder beim Sortieren und Selektieren eingesetzt werden, werden sie oft von Sensoren oder sogar Bildverarbeitungssystemen unterstützt, um ihre Aktionen zu steuern. Andernfalls können Hall-Effekt- und Näherungssensoren im Greifer eine ausreichende Rückmeldung liefern.

Vorteile und Grenzen von pneumatischen Greifern

Ein wesentlicher Vorteil pneumatischer Greifer gegenüber anderen Greifertypen besteht darin, dass sie in zahlreichen Größen und mit Greifkräften von wenigen Newton bis zu mehreren Kilonewton erhältlich sind und an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden können - sogar an solche, die Tausende von Wiederholungen pro Stunde erfordern. Pneumatische Industriegreifer bieten außerdem eine unübertroffene Wiederholgenauigkeit für Präzisionsautomatisierungsaufgaben. Weitere Eigenschaften pneumatischer Greifer:

• Sie sind kostengünstig und energiesparend zu betreiben
• Sie sind leicht und kompakt - insbesondere im Vergleich zu bestimmten motor- und hydraulikbasierten Optionen

Im Gegensatz zu ihren hydraulischen und elektrischen Pendants sind pneumatische Greifer weitgehend unempfindlich gegenüber ihrer Arbeitsumgebung. Dies steht im Gegensatz zu elektrisch betätigten Greifern mit empfindlicher Elektronik, die in feuchten Umgebungen ausfallen können.

Natürlich haben pneumatische Greifer auch einige Nachteile und Einschränkungen. Diese hängen in erster Linie mit den Betriebskosten und der Komplexität von pneumatischen Konstruktionen und Druckluftsystemen im Allgemeinen zusammen. Die Ersteinrichtung solcher Systeme kann kostspielig und kompliziert sein. Allerdings gibt es ökonomische Vorteile, wenn ein Industriebetrieb bereits an anderer Stelle Druckluftsysteme einsetzt.

Auswahlkriterien für pneumatische Greifer

Die Dimensionierung und Spezifikation von pneumatischen Greifern für eine bestimmte Materialhandhabungsanwendung sollte mit der klaren Definition der wichtigsten Konstruktionsparameter beginnen.

Größe und Greifkraft: Pneumatische Greifer sollten sich so weit öffnen, dass sie die zu handhabenden Gegenstände aufnehmen können. Die erforderliche Fingerkraft des pneumatischen Greifers hängt vom Gewicht der zu handhabenden Gegenstände sowie vom Reibungskoeffizienten zwischen Finger und Gegenstand, von der Kontaktfläche zwischen Finger und Gegenstand und von der Kraft ab, die der Kraft der gegenüberliegenden Finger entgegenwirkt. Hochentwickelte Materialien und Beschichtungen für die Greiffinger können den Reibungskoeffizienten zwischen Finger und Objekt erhöhen. Selbstverständlich müssen die Backen von pneumatischen Greifern für den Einsatz in Lebensmitteln oder pharmazeutischen Anwendungen aus FDA-zugelassenen Materialien bestehen oder mit diesen beschichtet sein.

Das Verhältnis zwischen der Größe und dem Gewicht der zu handhabenden Teile ist sehr unterschiedlich, wobei leichte, aber sperrige Teile oft die größten Herausforderungen für die Konstruktion von Greifern darstellen.

Teilegeometrie: Die Handhabung von Objekten mit komplexer Geometrie erfordert oft pneumatische Greifer mit drei statt zwei Fingern. Das gilt insbesondere dann, wenn eine Reihe von Werkstücken leicht unterschiedliche Geometrien aufweisen kann. Wenn die Werkstücke jedoch gleichförmig sind, können Zweifingergreifer kundenspezifische Oberflächen und Formen aufweisen, um spezifische Greifpunkte an diesen Objekten zu ermöglichen. Die Kostenersparnis von Zweifingergreifern rechtfertigt oft deren Einsatz, wenn diese Lösung den Anforderungen des Betriebs entspricht.

Betriebsumgebung: Pneumatische Greiferlager, interne mechanische Elemente und Gehäuse gibt es in Hülle und Fülle für saubere und verschmutzte Betriebsumgebungen. Besonders wichtig sind die Temperaturklassen für pneumatische Greifer (die die Bereiche festlegen, in denen ein Greifer optimal funktioniert) sowie die IP-Klassen, die den Grad der Partikel- und Feuchtigkeitsbeständigkeit eines bestimmten Greifers definieren.

Fazit

Pneumatische Greifer sind robotergestützte Endeffektoren, die für die Materialhandhabung in Produktionslinien unerlässlich sind. Diese Greifer halten, orientieren und platzieren Werkstücke und andere Objekte zur Bearbeitung, zum Zusammenbau mit anderen Teilen oder zur Aussortierung - z. B. von einem Förderband durch eine Qualitätskontrollstation. Trotz der Nachteile von Druckluftsystemen, die für den Betrieb von pneumatischen Greifern erforderlich sind, sind diese oft die sauberste, schnellste und am besten geeignete Wahl für die Handhabung von Teilen.