Umlaufende Bewegung steigert Effizienz von Deltarobotern

Mit Schwung verpackt

Next Generation – der auf der interpack 2014 gezeigte Demonstrator ist der erste anwendungsorientierte Prototyp eines Deltaroboters mit umlaufender Bewegung der Antriebe für räumliche TCP-Bewegung.
 

Nach Angaben der IFR (International Federation of Robotics) beliefen sich 2012 die Verkäufe an Robotern für Pick-&-Place-Anwendungen und -Verpacken auf 15.480 Exemplare – Tendenz weiterhin steigend. Das hat viele Gründe. Roboter überzeugen durch hohe Flexibilität, Arbeitsgeschwindigkeit, Präzision und Wiederholgenauigkeit. Zudem lassen sie sich im Unterschied zu konventionellen Sondermaschinen wesentlich flexibler an Produkt- und Formatwechsel anpassen oder für gänzlich neue Aufgaben umprogrammieren. Vor allem aber punkten sie durch hohe Produktions- beziehungsweise Ausfallsicherheit. Deshalb geht die Branche von weiterhin stark steigenden Roboterumsätzen aus, denn der Markt verlangt immer leistungsstärkere und flexiblere Verpackungslinien – und robotergestützte Automation ist ein Schlüssel dazu. Wichtige Treiber dieser Entwicklung sind unter anderem der weltweite demografische Wandel und das veränderte Kaufverhalten der Kunden. So steigt beispielsweise seit Jahren die Nachfrage nach seniorengerechten Verpackungen sowie nach kleineren Verpackungseinheiten für Kleinfamilien und Singlehaushalte. Weiter erfreut sich Convenience-Food immer größerer Beliebtheit – nicht nur in den westlichen Industrie-, sondern auch in den aufstrebenden Schwellen- und Ent- wicklungsländern. Hinzu kommt, dass der Handel Jahr für Jahr Tausende neuer Produkte in den Markt einführt, um durch Differenzierung weitere Marktanteile zu gewinnen. Das bedeutet aber für die Nahrungsmittelhersteller und Verpackungsbetriebe, dass sie eine immer größere Vielzahl an Produkten bei sinkenden Losgrößen bewältigen müssen. Um unter diesen Vorzeichen wirtschaftlich arbeiten zu können, benötigen Sie daher äußerst flexible Hochleistungsmaschinen und Anlagen. Ein wichtiger Prozess in solchen Hochleistungsverpackungslinien ist schnelles Pick & Place. Hier haben sich vor allem flinke Deltaroboter etabliert.

Verpackungstechnik: drei- und vierachsige Deltaroboter sind im Einsatz Deltaroboter sind Parallelroboter beziehungsweise Roboter mit Parallelkinematik, bei denen drei bis sechs parallel angeordnete Linearachsen oder Gelenkarme in einer festen Basis gelagert sind und gemeinsam eine Greiferplatte führen. Ihre parallel angeordneten Achsen bilden eine geschlossene kinematische Kette. Gegenüber Robotern mit serieller Kinematik (Knickarmroboter) weisen sie aufgrund ihrer Bauart eine deutlich höhere Struktursteifigkeit und damit auch höhere Positionierungsgenauigkeit auf. Weiter ermöglichen sie eine bessere Bewegungssteuerung, höhere Verfahrgeschwindigkeiten und dadurch kürzere Zykluszeiten.

In der Verpackungstechnik sind vor allem drei- und vierachsige Deltaroboter im Einsatz. Die meisten der heute marktüblichen Deltaroboter sind auf Nutzlasten von wenigen Gramm bis etwa drei Kilogramm maximal ausgelegt. Je nach Produktbeschaffenheit und Handhabungsgewicht können sie zwischen 60 bis deutlich über 200 AT (Arbeitstakte) pro Minute erzielen. Neuere Modelle bewältigen zwar schon Nutzlasten von fünf bis acht Kilogramm, jedoch nur bei deutlich niedrigeren Geschwindigkeiten um etwa 60 AT pro Minute. Der Markt verlangt aber zunehmend das Handling höherer Traglasten – und genau da setzen die Entwickler vom Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen der TU Dresden an. Sie wollen die Leistungsfähigkeit von Deltarobotern deutlich erhöhen. Hierzu ein kurzer Blick zurück.
Demonstrator aus 2011: Der Deltaroboter erzielte bei umlaufender Betriebsweise und einer Last von fünf Kilogramm überzeugende 200 AT (Arbeitstakte)/min.
 

Simulation und Optimierung von Bewegungsabläufen Anlässlich der interpack 2011 präsentierten die Dresdener Forscher unter dem Motto „Technischen Fortschritt erfahrbar machen“ einen Bewegungsdemonstrator auf dem Stand des VDMA. Im Fokus stand das Optimieren von Roboterbewegungen und der Roboterstruktur für besonders anspruchsvolle, schnelllaufende Bewegungen. Die Fachbesucher konnten dabei einen ersten Eindruck von den Vorteilen des umlaufenden Antriebs bei Deltarobotern gewinnen – allerdings noch auf Bewegungen in der Ebene begrenzt. Der Demonstrator ermöglichte den Vergleich zwischen den Hin- und Herbewegungen konventioneller Deltaroboter mit dem Bewegungsablauf einer umlaufenden Deltakinematik. Dabei zeigte sich, dass die umlaufende Bewegung bei gleicher Anwendung deutlich weniger Energie benötigte und eine höhere Robotergeschwindigkeit ermöglichte. Die mit einem Handhabungsgewicht von fünf Kilogramm erzielte Taktrate betrug 200 AT(Arbeitstakte)/min. Bei konventioneller Fahrweise dagegen begrenzte das Effektivmoment die maximale Robotergeschwindigkeit schon bei 140 AT/min. Die Fahrweise mit umlaufendem Antrieb schiebt also die Leistungsgrenze deutlich nach oben. Die 2011 erzielten Ergebnisse waren so überzeugend, dass man beschloss, das Prinzip auch auf den 3D-Raum zu übertragen – mit Erfolg.
Bewegungsprinzipien im Vergleich: Links schwenkende Bewegung konventioneller Deltaroboter, rechts umlaufende Bewegung. (Fotos: VDMA)
Bewegungsprinzipien im Vergleich: Links schwenkende Bewegung konventioneller Deltaroboter, rechts umlaufende Bewegung. (Fotos: VDMA)
Deltaroboter – geschaffen für schnelles Pick & Place Die Bewegungen der heute am Markt erhältlichen Deltaroboter mit ihrem alternierenden Beschleunigen und Abbremsen an den Umlenkpunkten ihrer Bewegungsbahnen sind energetisch nicht optimal. Die Antriebsmotoren müssen dabei immer wieder einen Teil der kinetischen Energie beim Bremsen abbauen. So entstand der Gedanke, die Bewegungsenergie nicht mehr vollständig durch Abbremsen der Massen von Roboter, Greifer und Produkt  abzubauen, sondern für den folgenden Bewegungsabschnitt zu nutzen – den Schwung quasi mitzunehmen. Doch wie sollte man das technisch umsetzen? Die Lösung fanden die Entwickler in einer modifizierten Deltakinematik, die es ermöglicht, die kinetische Energie der Roboterarme an den Umlenkpunkten in eine Rotationsbewegung beziehungsweise umlaufende Bewegung der Antriebe umzusetzen. Dadurch bleibt die Energie wie bei einem Schwungrad im System.

Im Rahmen des vom BMWi geförderten, gründungsorientierten Exist-Forschungstransfer-Programms hat das Entwicklungsteam der TU Dresden aus diesen Konzeptideen einen marktorientierten Prototyp für dynamisch optimierte Pick-&-Place-Applikationen mit höheren Traglasten entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Integration des Roboters in Verarbeitungsprozesse. Im Gegensatz zu Roboterherstellern entwickeln sie jedoch keine eigene Robotersteuerung für ihr System, sondern integrieren für diese neue Qualität von umlaufenden Bewegungen Softwarefunktionen in vorhandene Maschinensteuerungen. Dieses Einbinden von Funktionsmodulen bietet viele Vorteile. Dazu zählen vor allem der Wegfall von Schnittstellen zwischen Roboter- und Maschinensteuerungen sowie die Reduktion der Komplexität der Systeme, die Mitarbeiter zum Betreiben der Anlage beherrschen müssen. Ein Simulationsprogramm zur Vorplanung und Optimierung der Roboterbewegungen am PC gibt Entwicklern und Anwendern zusätzliche Planungssicherheit.

Ergebnisse und Perspektiven Das Team der TU Dresden hat eindrucksvoll gezeigt, dass die Leistungs- und Anwendungsgrenzen bei Deltarobotern längst noch nicht erreicht sind. Dank innovativer Weiterentwicklungen ließen sich diese in puncto Leistungsfähigkeit - und dabei vor allem hinsichtlich der Traglast – um bis zu 50 Prozent steigern. Dieses Plus an Performance bietet neben der reinen Taktzahlerhöhung auch die Möglichkeit, gezielt auf die spezifischen Erfordernisse von Prozess und Produkt einzugehen und dank der höheren Flexibilität und Leistungsfähigkeit auch schneller auf Marktveränderungen zu reagieren. Im Rahmen der interpack 2014 präsentiert sich das Entwicklerteam als Partner für schnelllaufende Bewegungsaufgaben in Verpackungslinien.

Um die Leistungsfähigkeit des Deltaroboters mit umlaufenden Antrieben zu demonstrieren, haben die Entwickler eine schwere Ausführung eines Deltaroboters gebaut, mit der sie auf der interpack 2014 Massen bis zu 10 Kilogramm bewegen wollen. Ein in die Roboterzelle integrierter Drehteller simuliert dabei das Aufsynchronisieren auf Förderbänder, um einen realitätsnahen Anwendungsfall darzustellen.
Über die Firma
VDMA e.V. Fachverband Nahrungsmittelmaschinen und Verpackungsmaschinen
Frankfurt
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