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Destaco Acht Kriterien für die Wahl eines pneumatischen Greifers

| Autor / Redakteur: Gary Labadie / M.A. Frauke Finus

Mit dem richtigen Greifer lassen sich Leistung, Maschinenbetriebszeit und die Sicherheit des Bedienpersonals optimieren. Vorausgesetzt, man hat bei der Wahl der Greiflösung alle betrieblichen und baulichen Faktoren berücksichtigt.

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3-Backen-Greifer zum Greifen von runden Teilen, mit Fingern aus Kunststoff zum Vermeiden von Beschädigungen des Teils.
3-Backen-Greifer zum Greifen von runden Teilen, mit Fingern aus Kunststoff zum Vermeiden von Beschädigungen des Teils.
(Bild: Destaco)

Für Pick-and-Place-Automatisierungssysteme in der Automobil-, Pharma-, Elektronik- und Konsumgüterindustrie herrscht eine riesige Auswahl von Greiflösungen. Die Fülle unterschiedlicher Greifertypen mit jeweils unterschiedlicher Größe und Funktionsweise, für unterschiedliche Betriebsumgebungen und unterschiedliche Bedienungsanforderungen kann verwirren. Unter Umständen führt das zu einer übereilten oder unüberlegten Anschaffung, die dann nicht zur vorhandenen Automatisierungsanwendung oder zum Fertigungsprozess passt. Ein Anlagenbetreiber muss alle Variablen sorgfältig abwägen und sich darüber im Klaren sein, dass es nicht genügt, einen Greifer von der Stange oder aus dem Katalog zu kaufen.

Sowohl pneumatische als auch elektrische Greifer erfüllen drei grundlegende Aufgaben. Die erste ist der Transfer von Teilen zu oder von einem Förderer, einer Arbeitsstation oder einer Maschine. Gebräuchliche Anwendungen für den Teiletransfer sind Maschinenbeschickung, Teileplatzierung, Be- und Entladen, sowie Verpackung oder Palettierung. Aufgabe zwei ist das Ausrichten von Teilen. Dabei muss der Greifer das Teil in Vorbereitung auf den nächsten Arbeitsschritt – etwa das Anbringen eines Etiketts, das Einlegen in ein Fach oder das Verpacken in eine Schachtel – korrekt positionieren. Aufgabe drei ist das Festhalten eines Teils während eines Arbeitsgangs. Dies stellt wesentlich höhere Anforderungen an einen Greifer, weil dieser nicht nur das Teil festhalten, sondern auch den beim Bohren, Stanzen, oder Markieren wirkenden Kräften standhalten muss. Diese zusätzlich auftretenden Kräfte müssen bei der Wahl der Greifergröße berücksichtigt werden.

Dieser Artikel beschreibt aus Makro- und Mikroperspektive acht Kriterien für eine fundierte Entscheidung für einen Greifer. Schließlich hängt der reibungslose Ablauf eines Produktionsprozesses nicht zuletzt davon ab, ob ein Greifer seine Aufgabe durchgängig und zuverlässig erfüllt.

1. Welches sind die Betriebsanforderungen?

Gesamtabläufe in einem Fertigungsbetrieb einnehmen. In der heutigen automatisierten Fertigungswelt ist die erste Entscheidung, die man treffen muss, die zwischen einem elektrischen oder einem pneumatischen Greifer. Obwohl beide Greifertypen dieselben grundlegenden Funktionen erfüllen, gibt es eine Reihe von Aspekten, die für die Entscheidung maßgeblich sind.

  • Elektrische Greifer: Elektrische Greifer arbeiten wesentlich leiser als pneumatische. Sie eignen sich gut für den Einsatz in kontaminationsempfindlichen Umgebungen, wie in der Lebensmittel-, Pharma- und Elektronikindustrie. Solche Greifer können zusätzlich Feedback über ihre Betriebsleistung oder Informationen (z. B. Größe und Gewicht) über das gegriffene Teil liefern. Elektrische Greifer sind einfach zu installieren und eignen sich daher sowohl für erfahrene als auch für unerfahrene Nutzer. Solche Greifer lassen sich über eine Standardverdrahtung direkt mit einem Steuerungssystem/PLC verbinden.
  • Pneumatische Greifer: Die Stärken von pneumatischen Greifern sind ihre Betätigungsgeschwindigkeit und ihre kompakte Bauweise. Hinzu kommt ihr im Vergleich zu elektrischen Greifern günstigerer Preis, wenn man Greifkraft und Größe zueinander ins Verhältnis setzt. Pneumatische Greifer arbeiten wesentlich lauter als elektrische Greifer und können generell weniger Feedback an das Steuerungssystem liefern. Es beschränkt sich in der Regel darauf, ob der Greifer das Teil greift und ob er offen oder geschlossen ist. Obwohl ein pneumatischer Greifer günstiger in der Anschaffung ist, sind mit ihm beträchtliche versteckte Kosten verbunden. Zum Anschließen an ein Steuerungssystem oder PLC benötigt man Luftleitungen, Filter, Armaturen, Ventile, einen Kompressor usw. Nur wenn diese pneumatische Grundausstattung im Werk bereits vorhanden ist, fallen dafür bei der Anschaffung eines pneumatischen Greifers keine Zusatzkosten an.

Pneumatische – oder druckluftbetriebene – Greifer sind seit vielen Jahren der Standard und stellen über 95 Prozent der in der Industrie eingesetzten Greifer.

2. Ist die Einsatzumgebung rein oder unrein?

Im weitesten Sinne hat man es mit zwei Arten von Betriebsumgebungen zu tun:

  • Reine Umgebung: In dieser Art von Umgebung muss gewährleistet sein, dass vom Greifer oder aus dessen Inneren nichts in die Arbeitsumgebung gelangt, was das Werkstück oder zu verarbeitende Substanzen verunreinigen könnte. Das ist typischerweise in der Medizin-, Pharma-, Elektronik- und Lebensmittelindustrie der Fall, wo nur extrem geringe Schwebstoff- oder Oberflächenverunreinigungen zulässig sind. Für solche Einsatzbedingungen gibt es Greifer mit einer Reinraum-Zertifizierung. Für den Einsatz in reinen Umgebungen geeignete Greifer besitzen in der Regel Absauganschlüsse. Diese erzeugen im Greifer einen geringen Unterdruck, durch den saubere Umgebungsluft in den Greifer gesaugt wird. So gelangen aus dem Greifer keine Verunreinigungen in die Arbeitsumgebung.
  • Unreine Umgebung: In einer unreinen Umgebung muss der Greifer vor äußerlichen Verunreinigungen aus der Arbeitsumgebung geschützt werden, damit er während seiner gesamten Nutzungsdauer störungsfrei funktioniert. Dabei kann es sich um Sägespäne, Metallspäne, Chemikalien usw. handeln. Ein hohes Verunreinigungsrisiko durch Schmutz, Abrieb, Öl und Schmiermittel besteht generell in der Automobilfertigung, in Gießereien, sowie in der zerspanenden und allgemeinen industriellen Fertigung. Solche Umgebungsbedingungen können die internen Funktionen und das Funktionieren eines Greifers überhaupt beeinträchtigen. Viele pneumatische Greifermodelle besitzen Spülanschlüsse, die Verunreinigungen verhindern sollen. Diese Anschlüsse haben eine doppelte Funktion: Sie verhindern erstens das Eindringen von Verunreinigungen, und dienen zweitens zur Schmierung. Der Spülanschluss befindet sich am Greiferkörper und ist über einen Kanal mit dem Greiferinneren verbunden. Während der Betätigung des Greifers wird durch Ansaugen einer geringen Luftmenge mit niedrigem Druck ein Überdruck im Greifergehäuse erzeugt. Der Überdruck verhindert, dass Verunreinigungen aus der Umgebung in das Innere des Greifers gelangen können. Durch optionale Schmiernippel kann der Greifer zusätzlich geschützt werden. Solche Schmiernippel dienen in extrem rauen Umgebungen dazu, verschmutztes Schmiermittel aus dem Greifer abzuführen und/oder ihm frisches Schmiermittel zuzuführen.

3. Muss der Greifer abgedichtet oder abgeschirmt sein?

Standardisierte oder kundenspezifische Abschirmungen (oder Dichtungen) können in unreinen Umgebungen Verunreinigungen vom Greiferinneren fernhalten. In reinen Umgebungen verhindern sie den Austritt von Schmiermittel und anderen Schmutzstoffen aus dem Greiferinneren. Greiferabschirmungen gibt es in unterschiedlichen Formen und Materialien. Die Palette reicht von einfachen Formblechen über flexible Muffen und Balge bis hin zu Abstreiflippen. Abschirmungen werden als Teil des Greifers serienmäßig, optional oder als Sonderzubehör angeboten oder können vom Endnutzer im Rahmen der Systemintegration selbst hinzugefügt werden. Greifer sollten immer so ausgerichtet werden, dass möglichst wenige Schmutzstoffe an die Bewegungsflächen oder an exponierte Öffnungen gelangen können.

Pneumatische Greifer werden aus unterschiedlichen Materialien und in diversen Spezialverfahren gefertigt. Entsprechende Materialien und Beschichtungen, wie Edelstahl, Vernickelung und Eloxalhartbeschichtung, verhindern das Korrodieren von Oberflächen oder das Anhaften von Schmutzpartikeln und damit das Festfressen der Greiferbacken. In Reinraumanwendungen oder in Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung verhindert dies auch Oxidation oder die Ansiedelung von Bakterien.

Es gibt hochtemperaturgeeignete, lebensmittelverträgliche oder wasserabweisende Schmierstoffe, die in unterschiedlichsten Umgebungen oder zur Erfüllung etwaiger Abwaschbarkeitserfordernisse eingesetzt werden können. Für den Einsatz in extrem heißen oder unreinen Umgebungen gibt es passende pneumatische Dichtungen. Neben Standarddichtungen aus Buna-N (Nitril) gibt es solche aus Viton® und Silikon für den Einsatz bei höheren Temperaturen. In extrem heißen und/oder unreinen Umgebungen eingesetzte Greifer besitzen normalerweise Metalldichtungen.

4. Welches sind die wichtigsten Spezifikationen des Greifers?

Nachdem alle Anforderungen von Seiten der Arbeitsumgebung geklärt sind, kann sich der Anlagenplaner dem Greifer als solchem zuwenden. Wohlwissend, dass sich Ausführung und Bauweise des Greifers in jeder Fertigungsumgebung auf die Gesamtleistung auswirken. Zu beachten ist zunächst, dass ein Greifer im Wesentlichen aus drei Teilen besteht: Dem Körper (einschließlich des Mechanismus für die Kraftübertragung), den Backen und den Fingern. In der Regel entwickelt und baut der Greiferhersteller nur den Körper und die Backen, die sogenannte Ansteuerung. Der Maschinenbauer oder Endnutzer steuert die anwendungsspezifischen Finger zum Greifen oder Umschließen des jeweiligen Teils bei.

Bei der Wahl eines Greifers für eine bestimmte Anwendung sollte man mehrere Faktoren beachten. Einer davon ist die Fingerlänge. Überlange Fi nger können zum Verhaken des Greifers führen. Ein weiterer Faktor ist die Greifkraft. Zu viel Kraft beschädigt das Teil; bei zu geringer Greifkraft fällt das Werkteil herunter. Sehr wichtig ist auch der Greiferhub. Ein zu großer Hub vergeudet Betriebszeit, bei zu geringem Hub wird das Teil nicht korrekt gegriffen oder abgesetzt.

Für Greifer lassen sich die unterschiedlichsten Betätigungszeiten spezifizieren. Sie wirken sich auf die Durchsatzrate eines Prozesses aus. Wiederholbarkeit ist generell wichtiger als Genauigkeit. Sie ist wichtig bei diffizilen Anwendungen zum Aufnehmen sehr kleiner Objekte, wie etwa einer Spritzennadel. Ebenso bei hochpräzisen Montageanwendungen zum Platzieren eines Objekts in einem anderen. Normalerweise gibt der Greiferhersteller diese Spezifikationen für jedes seiner Greifermodelle an. Wenn die Einsatzbedingungen und -anforderungen nicht mit den Spezifikationen des Greifers übereinstimmen, sollte man unbedingt einen Anwendungsingenieur hinzuziehen. Er besitzt die nötige Expertise, um für eine bestimmte Anwendung den passenden Greifer auszuwählen. Er kennt die Leistungsmerkmale und möglichen Nachteile von Greifern und ist in der Lage, den richtigen Kompromiss zwischen Greiferfunktion, Anwendung und Budget zu finden.

5. Welche Art von Backenauflagemechanismus ist die richtige?

Die Wahl des Backenauflagemechanismus hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Verschiedene Greifer können sich trotz gleicher Größe und Funktion in ihrer Bauweise grundlegend unterscheiden, weshalb sich einige besser als andere für den Einsatz in unterschiedlichen Betriebsumgebungen eignen. Nur wenn der Mechanismus zur Anwendung passt, arbeitet der Greifer zuverlässig und präzise. Von der Anwendung aus betrachtet, lassen sich folgende gebräuchliche Backenauflagemechanismen unterscheiden:

  • Anwendungen mit hoher Stoßbelastung: Für solche Anwendungen eignen sich Gleit- oder Keillager mit großer Oberflächenkontaktfläche. Dazu gehören flache Fläche-zu-Fläche-Lager und Zylinderlager (Buchsen). Dank der großen Lageroberfläche sind solche Mechanismen über einen langen Zeitraum extrem stoßbelastbar. Diese Mechanismen bleiben bei eng tolerierter Bearbeitung hochgenau und bieten eine exzellente Backenauflage. Normalerweise müssen sie verschleißbedingt nicht oder nur geringfügig nachjustiert werden.
  • Reibungsarme, hochgenaue Anwendungen: Für solche Anwendungen eignen sich Linienkontakt-Rollenlager. Zu diesem reibungsarmen Lagertyp gehören Kreuzrollenlager und Dual-V-Lager. Für hohe Genauigkeit lassen sich diese Lager vorspannen. Da die Vorspannung sich von außen nachjustieren lässt, sind solche Lager sehr wartungsfreundlich. Diese Mechanismen eignen sich für Anwendungen, bei denen über die gesamte Lebensdauer des Greifers kein seitliches Spiel an den Fingern auftreten darf. Die reibungsarme Bauweise erlaubt zudem eine kontrollierte Anpassung der Greifkraft durch Regeln des Luftdrucks.
  • Präzisionsanwendungen mit niedrigem Luftdruck: Für Päzisionsanwendungen eignen sich Punktkontakt-Kugellager. Solche Mechanismen arbeiten mit sehr niedrigen Luftdrücken und eignen sich für Anwendungen, die ruhige, gleichmäßige Bewegungen erfordern. Der niedrige Luftdruck hat den zusätzlichen Vorteil, dass bei der Betätigung des Greifers weniger Schmierfett austritt.

Der Typ des verwendeten Lagers und dessen Oberflächenkontaktfläche sind mit ausschlaggebend für einige wichtige Leistungsmerkmale eines Greifers. Dazu gehören die Betriebsfähigkeit mit sehr niedrigem Luftdruck, die Stoßfestigkeit, die Wiederholbarkeit, das zeitliche Verschleißbild am Greifer und die Nachjustierbarkeit der Vorspannung zur Verschleißkompensation.

6. Welche Art von Kraftübertragung ist nötig?

Mit Kraftübertragung ist der Mechanismus gemeint, der die Kraft von den Luftkolben im Inneren des Greifers auf die Backen überträgt, damit diese sich öffnen und schließen und so eine Greifkraft erzeugen.

  • Anwendungen mit einem hohen Greifkraft-zu-Größe-Verhältnis: Für Anwendungen, die hohe Greifkraft bei beschränkten Platzverhältnissen erfordern, eignet sich ein Greifer mit Doppelkeilantrieb. Der Keilmechanismus bietet eine große Oberfläche für die Kraftübertragung auf die Backen bei gleichmäßiger Kraftverteilung. Die gebräuchliche Einfachkolben-Ausführung ermöglicht ein hohes Greifkraft-zu-Größe-Verhältnis. Die immanente Synchronisierung der Backen/Finger-Bewegung macht zusätzliche Komponenten überflüssig. Der Doppelkeilmechanismus ist sehr robust und stoßbelastbar.
  • Kostengünstige Parallelgreifer-Lösungen: Bei diesem Mechanismus mit Direktantrieb ist der Kolben über einen Stift oder eine Stange direkt mit der Backe verbunden. In der Regel besitzt ein solcher Mechanismus zwei Kolben und ein Gestänge für die Backensynchronisierung. Der Mechanismus ist einfach, kostengünstig und leicht abzuschirmen. Das ist die Grundausführung eines Greifers.
  • Kostengünstige Winkelgreifer-Lösungen: Viele Winkelgreifer nutzen für die Kraftübertragung auf die Backen einen Nockenantrieb mit direkter, synchronisierter Kraftübertragung und Linienkontaktlagern. Der Mechanismus besitzt einen Drehpunkt pro Backe und kommt mit einem Minimum an beweglichen Teilen aus. Die mechanischen Vorteile der Nocke ermöglichen eine hohe Greifkraft bei relativ kompakter Bauweise. Der Nockenantrieb kommt meistens bei Greifern mit Winkelbacken zum Einsatz, wird aber auch bei anderen Greifertypen verwendet.
  • Hochpräzise Anwendungen mit hoher Wiederholgenauigkeit: Für Präzisionsanwendungen wird sehr oft ein Zahnstangenantrieb verwendet. Dank der gleichmäßigen, synchronisierten Arbeitsweise des Zahnstangenantriebs tritt an den Antriebsteilen so gut wie kein Verschleiß auf. Bei engtolerierten Ausführungen des Zahnstangenantriebs tritt nach der Installation kein oder nur geringes Backenspiel auf. Der Zahnstangenantrieb eignet sich auch sehr gut für Greiferausführungen ohne Backensynchronisierung.

Im Allgemeinen kombiniert man bei Greifern verschiedene Arten von Backenauflagen und Kraftübertragungen, um die passenden Leistungsparameter für die unterschiedlichsten Anwendungen zu realisieren. Die vorstehenden Beschreibungen geben eine allgemeine Orientierungshilfe.

7. Welches ist die beste Fingerausführung und Greifmethode?

Zunächst sollte die Sicherheit immer an erster Stelle stehen. Die Finger des Greifers müssen so ausgeführt sein, dass ein Herunterfallen des Teils bei einem Druckluftausfall möglichst verhindert wird. Um das Risiko einer Verletzung oder einer Beschädigung des Systems durch das Herunterfallen eines Teils zu minimieren, ist eine Sicherheitsanalyse sinnvoll. Besondere Aufmerksamkeit erfordert das Material der Greiferfinger: Sie können leicht Spuren am Produkt hinterlassen. Um das zu verhindern, kann anstelle von Greiferfingern aus Aluminium oder Stahl Finger aus Nylon, Delrin, Kunststoff oder einem anderen weichen Material zum Einsatz kommen. An Greiferfingern angebrachte Urethan-Auflagen sind für das

Hantieren mit zerbrechlichen Teilen geeignet, da sie e die Greifreibung erhöhen ohne zu viel Druck auszuüben.

Der Anweder hat die Wahl zwischen verschiedenen Greifmethoden. Hier sind einige der gebräuchlichsten Methoden:

  • Reibung: Das ist die gebräuchlichste Greifmethode, bei der anliegende Kontaktflächen das Werkstück durch Reibungskraft festhalten. Wenn der Greifer keinen eingebauten Sicherheitsmechanismus besitzt, fällt das Teil bei einem Druckluftausfall herunter. Für die Handhabung von öligen oder schmierigen Teilen sind Reibungsfinger ungeeignet.
  • Formschlüssig: Bei dieser Methode sind die Finger so profiliert wie das zu handhabende Teil, das heißt rund zu rund. Die Finger umschließen das Teil formschlüssig. Bei einem Druckluftausfall kann das Teil normalerweise nicht herunterfallen. Wenn das Gewicht des Teils allerdings die Haltekraft des Greifers übersteigt, können sich die Finger aufgrund der Schwerkraft öffnen und das Teil kann herunterfallen.
  • Eingehaust: Diest gilt allgemein als die sicherste Greifmethode. Die Finger sind so profiliert wie das Teil, d. h. rechteckig zu rechteckig. Bei dieser Methode greifen die Finger das Teil oder nähern sich ihm nur an, und die Einhausung hält das Teil in Position. Bei einem Druckluftausfall fällt das Teil nicht herunter, sofern keine äußere Kraft darauf einwirkt.

8. Welche zusätzlichen Sicherheitsmerkmale sollten man berücksichtigen?

Bei der Betrachtung der Bau- und Funktionsweise jeder Greiferkomponente, insbesondere der Finger, sollte die Sicherheit immer höchste Priorität haben. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, bei einem Druckluftausfall ein ungewolltes Lösen des Teils vom Greifer zu verhindern und damit auch ein Verletzungsrisiko und das Risiko einer Beschädigung des Teils oder der Maschine auszuschalten.

Eine Möglichkeit ist eine Innenfeder, die den Kolben vorspannt und so die Finger/Backen am Teil festhält. Allerdings ist dabei auf die adäquate Federkraft zu achten. Eine zweite Möglichkeit ist, dass man an den Anschlüssen zusätzliche externe Sicherheitsventile anbringt, die in der offenen oder geschlossenen Position die Druckluftzufuhr zum Greifer sperren. Eine dritte Möglichkeit sind Absenksperren, die sich bei einem Druckluftverlust automatisch an den Führungsstangen der Backen festklemmen. Allerdings ist das Anbringen solcher Absenksperren nicht bei allen Greifertypen möglich.

Fazit

Es gibt eine breite Palette pneumatischer Greifern, welche die gleiche Funktion erfüllen. Es hängt von den individuellen Merkmalen und Fähigkeiten der einzelnen Greifer ab, ob sie sich langfristig für die jeweiligen Anwendungen eignen. Zwischen den angebotenen Möglichkeiten und Optionen die richtige Wahl zu treffen, ist entscheidend für die Sicherheit, Leistung und Langlebigkeit einer Automatisierungsanwendung. Nur wenn der Anwender alle Optionen bedacht hat, kann er sich für den passenden Greifer in der richtigen Größe und Bauart entscheiden. Wenn Sie Fragen zur Eignung eines Greifers für eine bestimmte Anwendung haben, wenden Sie sich an den Hersteller. Überlassen Sie es ihm, aus der Vielzahl von Greiflösungen diejenige auszuwählen, die sowohl zu den Leistungsanforderungen als auch zum vorhandene Budget passt.

Gary Labadie ist Global Product Director Engineering bei Destaco in Auburn Hills, MI, USA.

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