Drehmoment-Sensoren: Auf die richtige Dosis Kraft kommt es an

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Kraft-Drehmoment-Sensoren machen sonst hinter Zäunen abgesperrte Industrieroboter lammfromm. Aber wo und wie machen so ausgestattete maschinelle Kollegen besonders Sinn?

Industrieroboter sind auf dem Vormarsch: Vier Millionen werden 2022 weltweit im Einsatz sein, schätzt der Branchenverband International Federation of Robotics (IFR). Auch immer mehr KMU automatisieren ihre Produktion. Viele setzen dabei auf kollaborative Applikationen, meint: die Kombination aus Roboterarm, Peripheriegerät und zugehöriger Software, inklusive Drehmoment-Sensoren.

Die Schlüsselrolle der Drehmoment-Sensoren

Besondere Komponenten sind dabei Sensoren. Erst sie ermöglichen es Robotern, Aufgaben auszuführen, für die normalerweise menschliche Geschicklichkeit notwendig ist. Mit ihnen nehmen Cobots ihre Umgebung wahr, verarbeiten den Input von außen und leiten situativ richtige Bewegungen daraus ab.

Ein solcher ist der HEX-Sensor von ­OnRobot, der die Kräfte und Drehmomente entlang aller sechs Achsen des Roboterarms misst. Das ermöglicht eine präzise Steuerung bei Anwendungen, die einen exakten Kraftaufwand erfordern. Auf diese Weise ist der Cobot etwa in der Lage, seine Greifkraft bei fragilen Objekten präzise zu dosieren, Werkstücke zu ­lokalisieren, während er sich bewegt oder die exakte Montageposition von Kleinteilen wie Metallstifte oder Holzdübel über Spiralbewegungen zu bestimmen.

Drehmoment-Sensoren: Ein einfacher Einstiegspunkt

Das ganze Thema wirkt für einige auf den ersten Blick herausfordernd. Unter­nehmen, die nicht über Expertise im Bereich Robotik verfügen, sollten sich aber nicht zu früh abschrecken lassen und sich im Rahmen von Automatisierungsplänen auch mit dem Thema Sensorik auseinandersetzen.

Wann ist der Einsatz eines Kraft-Drehmoment-Sensors angezeigt?

Um herauszufinden, ob der Einsatz eines Kraft-Drehmoment-Sensors angebracht ist, sollten Unternehmen ihre geplante Applikation genau prüfen. Worauf kommt es an? Manche Aufgaben, wie das Einsetzen eines Stifts in ein festsitzendes Loch, sind ohne taktiles Feedback nicht zu bewältigen. Hier ist der Cobot darauf angewiesen zu „fühlen“, um sich an sein Ziel heranzutasten. Für andere Aufgaben ist es notwendig, dass der Roboter gleichmäßig Kraft aufbringt, wenn er entlang einer Linie, Kante oder Oberfläche arbeitet.

Handelt es sich um filigrane oder sensible Werkstücke? Dann ist es unerlässlich, dass der Roboter erkennt, wenn die Gefahr einer Kollision mit einer Oberfläche oder einem Objekt droht. Erfüllt die Anwendung eine oder mehrere dieser Anforderungen, sollten Unternehmen in Betracht ziehen, einen Kraft-Drehmoment-Sensor in die Applikation zu integrieren.

Diese sechs Applikationen sind sinnvoll

Sechs Applikationen, die durch einen Kraft-Drehmoment-Sensor noch effizienter werden:

1. Endbearbeitung

Bei einer Oberflächenbearbeitung muss der Druck, den der Roboter auf das Werkstück ausübt, konstant sein – gerade bei Aufgaben wie Schleifen und Polieren. Der Einsatz eines Kraft-Drehmoment-Sensors stellt sicher, dass in Kombination mit einem Finishing-Werkzeug (beispielsweise der Sander – ebenfalls von OnRobot) auch bei unebenen oder geschwungenen Flächen optimale Ergebnisse erzielt werden.

Hier hilft der Sensor dem Roboter, eigenständig eine Bewegungsbahn zu identifizieren.

Zudem zeichnet er die Roboterbewegungen auch bei Handführung durch einen Bediener auf, merkt sich diese und reproduziert sie bei allen weiteren Objekten der aktuellen Aufgabe. Sollen beispielsweise Tischplatten mit geschwungener Schnittkante geschliffen werden, führt der Arbeiter die gewünschte Bewegung einmal per Hand aus und der Roboter bildet sie bei den nächsten 20 Platten nach. Auf diese Weise wird der Werker massiv entlastet. Solche Anwendungsszenarien finden sich nicht nur im Möbel-, sondern auch im Schiffs- und Flugzeugbau.

2. Objekterkennung

Um Objekte zu erkennen wird in erster Linie auf Vision Systeme gesetzt. Doch auch Kraft-Drehmoment-Sensoren eigenen sich dafür – speziell, wenn es darum geht, Kollisionen zu vermeiden oder das Gewicht eines Werkstücks zu messen.

Ersteres kann vor allem für die Maschinenbeschickung relevant werden. Es erfordert Feingefühl, beispielsweise Reagenzgläser zu bewegen oder Messgeräte zu bestücken. Kraft-Sensorik hilft hier weiter. In den RG2-FT-Greifer von OnRobot ist diese zum Beispiel direkt inte­griert: Der Zwei-Finger-Greifer verfügt über Kraft-/Drehmoment-Sensoren sowie einen ­Näherungssensor in seinen „Fingerspitzen“.

3. Produktprüfung

Die Prüfung von Produkten oder Werkstücken ist eine weitere Aufgabe, die eine Kraftrückkopplung erfordern kann. Damit lassen sich reale Belastungen simulieren. Ein Kraft-Drehmoment-Sensor stellt zum einen sicher, dass keine zu hohe Kraft auf das Produkt ausgeübt wird. Zum anderen ermöglicht er die Protokollierung der aufgebrachten Kräfte während der Tests.

Ein konkretes Einsatzszenario ist zum Beispiel die Testung von Touchscreens. Diese dürfen nur mit minimalem Kraftaufwand bedient werden, die Bewegungen des Cobots müssen also genau dosiert sein.

4. Feinmontage

Gerade in der Feinmontage kommt es durch geringe Toleranzen auf eine exakte und präzise Ausrichtung von Werkstücken an. Greifer mit integriertem Kraft-Drehmoment-Sensor sind mit Hilfe ihres Tastsinns in der Lage, Werkstücke millimetergenau zu platzieren. Solche Greifer eignen sich für Anwendungen, bei denen es auf geringe Toleranzen ankommt, insbesondere bei der Automobilproduktion. Ein Beispiel ist die Verschraubung von Motorblöcken.

5. Palettieren

Ob eine Paletierungsapplikation von einem Kraft-Drehmoment-Sensor profitiert, hängt von der konkreten Anwendung ab. Ihr Einsatz ist vor allem dann ratsam, wenn sich der Roboter komplexe Bewegungsabläufe merken muss oder mit größeren Kräften zu rechnen ist, die die hochsensible Sensorik in den Greif­backen womöglich schädigen würden.

6. Entgraten

Eine häufige Bearbeitungsaufgabe für kollaborierende Roboter ist das Entgraten, bei dem raue Kanten eines bearbeiteten Werkstücks mit einem Entgratungswerkzeug geglättet werden. Für das Entgraten ist in der Regel ein Kraft-Drehmoment-Sensor erforderlich, um sicherzustellen, dass der Roboter die richtige Kraft konsistent entlang der bearbeiteten Kante aufbringt.

Vieles ist und wird möglich

Die Möglichkeiten, Cobots in verschiedene Applikationen zu integrieren, sind also vielfältig und sie wachsen stetig. Durch Fortschritte in der Sensortechnologie können Cobots immer neue Aufgaben übernehmen. KI-Algorithmen und ausgefeilte Greiftechnologie machen es möglich, dass Roboter jetzt bereits Aufgaben lösen können, deren Automatisierung vor kurzem noch undenkbar war.

Der Autor Thomas Paral ist Chief Business Development Officer bei OnRobot.

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