Die Vielzahl oftmals gleichzeitig auftretender Erscheinungsformen von Konsumgütern, die durch ein System bewältigt werden müssen, behindert eine durchgreifende Automatisierung in diesem Bereich der Stückguthandhabung. Die Verschiedenartigkeit der Güter zeigt sich in Größe, Form, Masse, Verpackungsart, Bereitstelltoleranzen, Festigkeit bzw. Empfindlichkeit, Instabilität, Schwerpunktlage und weiteren artikelspezifischen Eigenschaften des zu handhabenden Gutes.

Die bei manueller Handhabung eingesetzten sensorischen und motorischen Fähigkeiten des Menschen sind bei der Automatisierung nur mit hohem Aufwand realisierbar. Schlüsselkomponenten zur Nutzung dieser Rationalisierungspotentiale sind intelligente Greifsysteme, die spezifische Objekteigenschaften bei der Handhabung berücksichtigen.

Vereinzelung von Stückgütern aus dem Verbund

Besondere Problemstellung ist das Vereinzeln im Verbund bereitgestellter Güter (Abb. 2). Beispiel hierfür ist das Entnehmen gestapelter Artikel von Paletten. Für Einzelzugriffe stehen nicht immer gegenüberliegende Greifflächen zur Verfügung, wie in Abbildung 3 erkennbar. Zum Ergreifen des rot gekennzeichneten Artikels sind nur drei Greifflächen zugänglich, die gegenüberliegenden Flächen sind verdeckt. Hierdurch wird der Einzelzugriff auf den Artikel erschwert.

Auch beim Zugriff auf ganze Lagen eines Stapels können für das Greifsystem besondere Anforderungen auftreten. Verzahnung der Stapel, hervorgerufen durch Packmustertoleranzen, dreidimensional verschachtelte Packmuster, Packmuster mit Kaminbildung, zur Ladungssicherung verklebte Objekte und andere sind die Ursache hierfür. Ein Abschieben ganzer Lagen ist nur in besonderen Fällen möglich.

Stand der Technik

Vielfältig zur Anwendung kommen Saug- und Klemmgreifer. Viele Handhabungsaufgaben können mit diesen Greifsystemen jedoch nicht oder nur unbefriedigend gelöst werden. Dies gilt insbesondere für nicht saugbare, im Verbund liegende (d.h. dicht nebeneinander liegende) Objekte.

Sauggreifer

Sehr verbreitet sind Vakuumgreifer, insbesondere für Palettierung und Depalettierung. Durch unterschiedliche Ausgestaltung und intelligente Ansteuerung finden sie ein weites Anwendungsspektrum.

Sauggreifer sind für den Einzel- und Lagenzugriff geeignet. Der Zugriff auf Verbundstapel ist möglich, da im Idealfall nur eine Fläche zugänglich sein muss. Sie sind in vielen Varianten und für viele Aufgabenstellungen verfügbar. Für extreme Einsatzfälle sind Anwendungen mit über 100 Einzelsaugern bekannt (Abb. 5). Sauggreifer sind jedoch nur für Greifgut mit hinreichend steifen, ansaugbaren Oberflächen geeignet.

In der Regel ist ein hoher Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung des Unterdruckes erforderlich. Großflächig wirkende Lagensauger mit hohen Saugvolumenströmen kommen zur Anwendung. Zur Kompensation der Druckverluste durch die auftretenden Leckvolumenströme werden oftmals Gebläse mit hoher Leistung benötigt. Beispiele mit 6kW Saugleistung und mehr sind bekannt. Hoher Energieverbrauch, Schallemission, Luftverwirbelungen und Staubentwicklung sind die Nachteile des Sauggreifens.

Klemmgreifer

Klemmgreifer sind als klassisches Greifsystem in vielen Erscheinungsformen verfügbar. Vielfältig im Einsatz sind Zwei- oder Mehrfinger- bzw. -backengreifer, die das Gut formschlüssig oder durch Klemmung für die anstehende Handhabungsaufgabe fixieren. Häufig angewendete Ausführungsformen sind Kniehebelgreifer, Parallelgreifer und Zangengreifer.

Klemmgreifer sind jedoch nicht zum Vereinzeln im Verbund liegender Güter geeignet, da sie frei zugängliche, gegenüberliegende Greifflächen des Gutes benötigen. Klemmgreifer wirken reibschlüssig und oder formschlüssig bei entsprechender Formgebung der Greifbacken.

Sondergreifer

Sondergreifer für spezielle Anwendungen sind in der Regel Spezialkonstruktionen für eingeschränkte Artikelspektren. Sie arbeiten meist formschlüssig und sind nicht universell einsetzbar.

Aufwälzgreifer

Seit einigen Jahren wird der Lösungsansatz des Aufwälzgreifens verfolgt. Sie sind speziell für Depalettier- und Kommissioniervorgänge entwickelt worden, erlauben den Einzelzugriff auf Verbundstapel und sind einsetzbar für unterschiedlichste Güter.

Auch bei diesem Greifsystem spielen Reibungskräfte eine wichtige Rolle. Das wichtigste Element des Aufwälzgreifers ist das angetriebene Friktionselement ausführbar als Rolle oder Riemen. Es ermöglicht das Aufsteigen des Objektes auf den Greifer. Hierzu wird eine Friktionsrolle oder ein Friktionsriemen stirnseitig an das zu greifende Objekt angedrückt, das Objekt steigt an der Greifrolle hoch, ein Unterfahren des Objektes durch den Greiferschlitten wird bewirkt.

Ist die Umfangsgeschwindigkeit der Riemen beim Unterfahren des Objektes gleich der Zustellgeschwindigkeit des Greiferschlittens, wird ein schlupfloses Unterfahren des zu greifenden Objektes ermöglicht. Die Bezeichnung Aufwälzgreifer basiert auf diesem Verhalten des Greifsystems.

Ein elementares Aufwälzgreifsystem zur Handhabung von Papierriesen ist in Abbildung 8 dargestellt. Das Greifsystem arbeitet mit gummibeschichteten Riemen als Friktionselement. Das im Bild sichtbare Messsystem zur Erfassung der Stapelhöhe ermöglicht eine optimale Ausrichtung zwischen Greifer und aufzunehmenden Objekt in der Vertikalen.

Durch den Einsatz weiterer zusätzlicher Hilfseinrichtungen und Anwendung artikelspezifischer Greifstrategien zur Unterstützung des Greifprozesses kann das Greifsystem universell für sehr verschiedenartige Objekte eingesetzt werden.

Beispielsweise wird der in Abbildung 10 dargestellte Gegenhalter verwendet, um ein Verrutschen der Artikel beim Greifen zu verhindern. Ebenso kann durch entsprechende Zustellbewegungen des Gegenhalters ein Ankippen des zu greifenden Objektes bewirkt werden. Durch diese Strategie wird das Aufnehmen und Unterfahren des Objektes begünstigt. Abbildung 9 zeigt das Foto eines Aufwälzgreifers mit Gegenhaltereinsatz.

Reibschlüssig wirkender Riemenklemmgreifer

Ein ausschließlich kraftschlüssig durch Reibung wirkendes Greifsystem ist der neuartige, im Folgenden vorgestellte Riemenklemmgreifer. Das entsprechend seiner Wirkungsweise als Traction-Gripper bezeichnete Greifsystem ist gekennzeichnet durch Reibriemen, die beispielsweise in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind (Abb. 11 und 12).

Die Gutaufnahme erfolgt reibschlüssig nach Berührung der Wirkflächen des Greifers mit der Objektoberfläche durch die gegenläufig einziehende Bewegung der Reibriemen. Ein hoher Reibwert zwischen Greifobjekt und Reibriemen ist Voraussetzung für die Funktion des Greifsystems.

Setz- oder Schlupferscheinungen, die zu einem Verlust des Reibschlusses führen könnten, werden durch die ständig nachstellenden Reibriemen kompensiert. Ein Überschreiten der zulässigen Umfangskraft wird durch die einstellbare Kraftbegrenzung vermieden.

Prototyp

Zur Verifikation des Prinzips wurde am Fraunhofer IML ein Prototyp eines Traction-Grippers aufgebaut (Abb. 13). Der Greifer ist mit jeweils sechs horizontal und sechs vertikal angeordneten Wirkriemen ausgerüstet. Die Zugkraftbegrenzungen der Einzelriemen wirken unabhängig voneinander. Riemenumfangsgeschwindigkeiten und Zugkraftbegrenzungen sind artikelspezifisch einstellbar. Als Werkstoff zur Beschichtung der Wirkflächen der Reibriemen kommt ein Naturkautschukprodukt mit hohem Reibwert neben vielen anderen Materialien zur Anwendung.

Konstruktive Gestaltung des Prototypgreifers

Der Prototyp des Greifsystems ist einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. In Abbildung 14 ist die Gestaltung der Riemenkraftbegrenzungen dargestellt. Zur Übertragung der Drehbewegung der Keilwelle auf die Mitnehmerscheiben sind diese mit der Keilwelle permanent im Eingriff.

Die zwischen den Mitnehmerscheiben angeordneten nadelgelagerten Riemenscheiben besitzen keine formschlüssige Drehverbindung zur Keilwelle. Die so verdrehbar auf der Keilwelle angeordneten Riemenscheiben werden reibschlüssig durch die Mitnehmerscheiben angetrieben. Mittels Nutmutter und Tellerfedern werden die Riemenscheiben mit den Mitnehmerscheiben axial verspannt. Das maximale Rutschmoment der auf diese Weise gebildeten Rutschkupplung wird durch die Höhe der Verspannung bestimmt und damit die maximale Umfangskraft in den Riemen.

Eigenschaften des neuen Greifsystems

Theorie zur Ermittlung der Riemenkräfte

Für ausgewählte Fälle wird im Folgenden die rechnerische Bestimmung der erforderlichen Antriebskräfte in Abhängigkeit des Reibwertes durchgeführt. Alle Riemenkraftangaben sind auf das Eigengewicht des Greifobjektes normiert.

Fall 1: Homogener Würfel hängt frei im Riemenklemmgreifer

Ermittlung der zum Halten erforderlichen Riemenumfangskräfte F in Abhängigkeit von Reibwert μ und Gewicht G.

Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen: (1)

Man erkennt deutlich, wie auch in allen weiteren vorgestellten Fällen eine entscheidende Voraussetzung für das Funktionieren des Greifprinzips:

Der Reibwert zwischen Riemenwirkfläche und Objekt muss größer als 1 sein.

Fall 2: Quaderförmiges Packstück im vertikal ausgerichteten Greifer

Ermittlung der zum Halten erforderlichen Riemenumfangskräfte F für homogene Quader bei vertikal ausgerichtetem Greifer in Abhängigkeit von Reibwert μ und Gewicht G.

Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen:

Umfangskraft im Horizontalriemen: (2)

Umfangskraft im Vertikalriemen: (3)

Die erforderliche Riemenumfangskraft im Vertikalriemen ist größer als die im Horizontalriemen.

Fall 3: Kugel- und zylinderförmige Packstücke im vertikal ausgerichteten Greifer

Ermittlung der zum Halten erforderlichen Riemenumfangskräfte F für kugel- und zylinderförmige homogene Packstücke bei vertikal ausgerichtetem Greifer in Abhängigkeit von Reibwert μ und Gewicht G.

Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen:

Umfangskraft im Horizontal- und Vertikalriemen: (4)

Im Vergleich zu den anderen betrachteten Objekten ergeben sich rechnerisch die höchsten der ermittelten Kräfte.

Fall 4: Quaderförmiges Packstück im angestellten Greifer

Ermittlung der zum Halten erforderlichen Riemenumfangskräfte F für homogene Quader, bei angestelltem Greifer und angestelltem Objekt in Abhängigkeit von Reibwert μ und Gewicht G.

Auswertung der Gleichgewichtsbedingungen:

Strategische Planung des Bewegungs- und Aktionsablaufes

Eine Berücksichtigung der Greifereigenschaften bei der Planung des Bewegungs- und Aktionsablaufes der Handhabungsoperation ermöglicht eine Optimierung des Haltevermögens des Greifsystems. Eine Anstellung des Greifers kann beispielsweise bei der Translation die erforderlichen Greifkräfte verringern. Ein entsprechender Bewegungs- und Funktionsablauf ist im Folgenden skizziert:

Die Anstellung des Objektes führt durch formschlüssige Unterstützung des Objektes zu stärkerem Halt des Objektes im Greifer. Bei der Translation können so höhere Kräfte aufgenommen werden.

Gültigkeit der Modellrechnung

Die vorgestellte Modellrechnung geht von coulombscher Festkörperreibung aus und gilt streng genommen nur für Festkörper. Für die coulombsche Festkörperreibung gelten einfache Zusammenhänge:

und

Bei Verwendung von Gummiwerkstoffen müssen komplexere Gesetzmäßigkeiten berücksichtigt werden, da Gummi kein Festkörper, sondern eher eine sehr viskose Flüssigkeit ist. Adhäsions-, Hysterese und Kohäsionsreibanteile bestimmen den nicht konstanten Reibwert. Dieses Verhalten von Gummi wird in dem Aufsatz von Klüppel und Alshuth [Klüppel98] beschrieben.

Der dominierende Adhäsionsreibungsanteil mit höherem Gleit- als Haftreibwert wird in Versuchen mit dem Traction-Gripper experimentell bestätigt.
Ebenso zeigt sich ein mit der Schlupfgeschwindigkeit zunächst ansteigender Reibwert. Untersuchungen zu adhäsiven Reibeigenschaften von Gummiproben wurden von Eberhardsteiner, Fidi und Liederer durchgeführt [Eberhardsteiner98].

Als Werkstoff für die Wirkflächen der Reibriemen wurde zwecks Erzielung eines hohen Reibwertes „Linatex“, ein Naturkautschukprodukt ausgewählt. Dieser Werkstoff besitzt einen Härtegrad von 40° shore A, einen hohen Reibwert zu vielen Materialien und ist bewährt bei Transport- und Abzugsbändern für Anwendungen mit hoher Friktion und hoher Beschleunigung.

Stand der Forschung

Reibschlüssig wirkende Greifer mit nachstellenden Wirkflächen zum Schlupfausgleich sind nicht bekannt. Forschungen zum Reibverhalten von Gummi zu verschiedenartigen Materialien werden insbesondere im Rahmen der Reifenfortentwicklung vielfältig durchgeführt. Unterschiedliche Berechnungsmodelle werden angewendet. Beispiele hierfür sind die Aufsätze von Berger und Heinrich [Berger00] und Barquins [Barquins92]. Packmustergeneratoren und die dreidimensionale Erkennung von Packmustern sind Gegenstand von Forschungsarbeiten.

Anwendungen des Traction-Grippers

Weiterführende Arbeiten

Zur Weiterentwicklung des Greifsystems können folgende Arbeiten ausgeführt werden.