Mechatronische Greifsysteme: Neue Freiräume für Konstrukteure

Möglicherweise ist es der Internationalität von Schunk geschuldet, dass Sprachtalente nicht nur bei den Mitarbeitern, sondern auch beim eigenen Portfolio gefördert werden. Der Spezialist für Greifsysteme und Spanntechnik baut sein Programm kommunikationsbegabter Mechatronikmodule kontinuierlich aus, um die Vielfalt des Marktes umfassend abzudecken. Neben Komponenten zur einfachen Ansteuerung über digitale I/O gewinnen bei intelligenten Komponenten mit integriertem Antriebsregler vor allem Komfortschnittstellen wie IO-Link und die industriellen Ethernetschnittstellen Profinet, EtherNet/IP und EtherCAT an Bedeutung. Bei Modulen mit externem Antriebsregler setzt der Spezialist auf Modularität bei den Geberschnittstellen, wobei der Fokus auf Hiperface, Hiperface DSL und Drive-CliQ liegt.

Intelligente Schunk-Greifer mit IO-Link-Schnittstelle, wie der Universalgreifer PGN-plus-E oder der Kleinteilegreifer EGP, die beide den IO-Link Class-B-Standard erfüllen und sowohl softwareseitig als auch hardwareseitig die IO-Link-Spezifikationen einhalten, lassen sich ähnlich einfach und intuitiv in Produktionsumgebungen integrieren und in Betrieb nehmen wie Komponenten mit digitalen I/O. Diesen Vorteil schätzen vor allem kleinere Anlagenbauer und industrieeigene Projektentwicklungsabteilungen. Ein einziges ungeschirmtes und einfach zu verlegendes Kabel zur Steuerung und Spannungsversorgung genügt, damit die Greifer betrieben und Daten von der übergeordneten Steuerung empfangen oder an sie gesendet werden können. 

Das minimiert den Verdrahtungsaufwand und die Zahl der Schnittstellen- und Steckverbindervarianten in der Anlage. Über die IODD (IO Device Description) wird der Greifer über den IO-Link Master an der übergeordneten Steuerung registriert und kann nun über die digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung Parametrier- und Diagnosedaten übertragen. Gegenüber einer Ansteuerung über digitale I/O steigt die Flexibilität innerhalb der Anwendung deutlich. So ist es möglich, die Fingerposition im laufenden Anlagenbetrieb zentral festzulegen und individuell über die gesamte Hubachse zu variieren – wenn nötig, mit jedem einzelnen Zyklus. Auch die Greifkraft lässt sich über Einstellungen in der Software individuell an das jeweilige Werkstück anpassen, sodass sich Handhabungsszenarien mit deformationsempfindlichen Teilen realisieren lassen. Darüber hinaus sind Daten zum Zustand des Greifers, wie etwa die Temperatur oder Wartungszyklen abrufbar. Gegenüber einer einfachen Ansteuerung über digitale I/O steigt mit IO-Link die Flexibilität innerhalb der Anwendung, da beengte Aufnahme- und Ablageplätze kollisionsfrei erreicht werden und über die freie Positionierung der Greiferfinger unterschiedliche Werkstücke im Wechsel gehandhabt werden können.

Wird ein Greifer getauscht, erkennt die Anlage diesen und lädt selbstständig die hinterlegten Parameter. Das beschleunigt den Wechselvorgang und minimiert das Fehlerrisiko, da keine manuellen Eingriffe mehr erforderlich sind. Anwender profitieren so von einer immensen Zeitersparnis bei der Inbetriebnahme oder beim Wechsel auf ein anderes Teilespektrum. Zudem lässt sich der Greifprozess in taktzeitkritischen Anwendungen über eine Vorpositionierung der Greiferfinger verkürzen, indem die Finger in den Nebenzeiten des Handhabungsprozesses vorpositioniert werden und beim Zugreifen unmittelbar am Werkstück nur noch kürzeste Hübe gefahren werden müssen. Treten Störungen und Fehler auf, hat der Anwender die Möglichkeit, punktgenau einzugreifen. Ein integriertes Diagnosetool überwacht permanent den Zustand der Greifer und übermittelt Fehler automatisch an die übergeordnete Steuerung.

Als Bindeglied zwischen Aktor und Feldbus genügt bei den Greifern von Schunk ein IO-Link Master der Portklasse B. Dieser empfängt die Prozessdaten vom Greifer und gegebenenfalls weiteren IO-Link-Komponenten, fasst sie zusammen und übernimmt die Weiterleitung an das übergelagerte Bussystem.

IO-Link Master sind mit anderen Kommunikationsprotokollen, wie etwa Modbus/TCP, Profinet oder EtherNet/IP, kompatibel. Sie können damit als Dolmetscher zwischen dem IO-Link-Protokoll und einem beliebigen Ethernet-Protokoll fungieren. So ist eine Durchgängigkeit von der Feldebene über die Automatisierungsebene (Feldbus/Ethernet) bis ins Internet realisierbar. In eine eventuell genutzte SPS muss also keine zusätzliche Software implementiert werden. Im internationalen Geschäft zahlen sich Schunk-Greifer mit IO-Link besonders dann aus, wenn Anlagen je nach Zielmarkt mit unterschiedlichen Automatisierungssystemen ausgestattet werden.

Maschinenbauer und Systemintegratoren profitieren dann von einer standardisierten Installation und Gerätefunktionalität auf der Sensor-/Aktor-Ebene, die unabhängig vom Feldbussystem ist. Lediglich der IO-Link Master ist auf das entsprechende Feldbussystem abzustimmen. Hinzu kommt eine hohe Robustheit der Datenübertragung. Die Taktung und die Datenrate liegt bei IO-Link (mit 230 kBit/s) zwar deutlich unter denen hochperformanter Ethernet-Schnittstellen. Dafür ist die Störanfälligkeit sehr gering, sodass auch Schleifringe beispielsweise in der Drehdurchführung DDF 2 zur Datenübertragung genutzt werden können.

Schunk-Greifer mit industrieller Ethernet-Schnittstelle (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT), wie der EGL oder EGI, ermöglichen einen deutlich größeren Funktionsumfang und Datendurchsatz als Greifer, die lediglich über digitale I/O oder IO-Link angesteuert werden. Die Taktung der Datenübertragung in Intervallen von 2 ms oder 4 ms erlaubt nahezu eine echtzeitfähige Regelung. Zudem sind hohe Datenraten gewährleistet, sodass Greifer-, Sensor- und selbst umfangreiche Kameradaten in Echtzeit über ein einziges Kabel transportiert werden können. Künftig, so die Einschätzung der Experten bei Schunk, geht der Trend zu industriellen Ethernetschnittstellen. Serielle Busschnittstellen hingegen geben Marktanteile ab.

Dabei gibt es regionale Unterschiede: Profinet und EtherCAT sind vor allem in Europa vertreten; EtherNet/IP dominiert in den USA; im asiatischen Markt ist das Rennen noch offen. Umso wichtiger ist aus Sicht von Schunk eine hohe Kompatibilität der Greifsystemkomponenten. Während bei der Ansteuerung über IO-Link immer ein zusätzlicher IO-Link Master im Schaltschrank erforderlich ist, über den die komplette Kommunikation läuft, lassen sich die Greifer mit industriellen Ethernet-Schnittstellen unmittelbar mit der Anlagensteuerung verbinden und über ein Gateway in die übergeordnete Leitebene der Bürokommunikation integrieren. So können Daten in Cloudlösungen abgelegt, Prozesse überwacht und Wartungsbedarfe kontinuierlich verfolgt werden. Gerade in komplexen Anlagen lassen sich Greifsysteme mit industrieller Ethernet-Schnittstelle nutzen, um über die Systemarchitektur die Prozessstabilität der Anlage zu erhöhen. Statt jede Komponente einzeln mit dem Master zu verbinden, stehen bei der Ansteuerung via EtherNet unterschiedliche Topologien zu Auswahl, die je nach Kombination zusätzlich auch zur Erhöhung der Prozesssicherheit genutzt werden können.

„Es dem Kunden so einfach wie möglich machen“

Bei extern geregelten mechatronischen Dreh- und Linearmodulen können modulare Geberschnittstelle Hürden und Umwege im Anlagendesign eliminieren. Im Gespräch erläutert Benedikt Janßen die Möglichkeiten.

Herr Janßen, welche Idee verfolgt Schunk mit den modularen Geberschnittstellen?

Wir wollen es dem Kunden so einfach wie möglich machen, sprich für jede mechatronische Komponente so viele Schnittstellen wie möglich bieten. Das gilt für die mechanischen und elektrischen Schnittstellen ebenso wie für die Reglerkonzepte. Konstrukteure und Anwender sollen die jeweils optimalen Komponenten wählen können, unabhängig davon, welcher Regler eingesetzt wird. Während wir bei unseren Modulen mit integrierten Antriebsreglern über die IO-Link Schnittstelle beziehungsweise über Profinet, EtherNet/IP und EtherCAT eine hohe Kompatibilität erzielen, gelingt dies bei Dreh- und Linearmodulen ohne integrierten Antriebsregler über modulare Geberschnittstellen.

Welchen Vorteil hat der Konstrukteur?

Der Konstrukteur muss sich im Vorfeld keine Gedanken mehr drüber machen, ob der Anwender einen Bosch- oder Siemens-Regler einsetzen möchte. Achse, Bauraum und Spezifikationen der Komponenten bleiben immer unverändert. Allenfalls am Stecker ist erkennbar, um welche Schnittstelle es sich handelt. Ohne die modulare Schnittstelle müsste der Konstrukteur gegebenenfalls ein anderes Modul wählen oder eine Übersetzungseinheit beziehungsweise ein SME-Modul nutzen, wenn ein anderer Regler zum Einsatz kommt. Das hieße mehr Aufwand, zusätzlicher Bauraumbedarf und weitere Kabel.

Handelt es sich um All-in-One-Lösungen, deckt also jedes Modul alle Schnittstellen ab?

Nein, das wäre in den meisten Fällen weder wirtschaftlich noch technisch sinnvoll. Es ist auch gar nicht erforderlich, denn bevor eine Anlage gebaut wird, steht fest, welche Regler zum Einsatz kommen, sodass einfach die passende Schnittstelle bestellt werden kann.

Welche Schwerpunkte legt Schunk bei den Schnittstellen?

Unser Fokus liegt auf den wichtigsten Steuerungsherstellern: Bosch, Siemens, Beckhoff, B&R sowie Schneider Electric. Darüber hinaus bieten wir bei einzelnen Komponenten weitere Schnittstellen an.

Wie wurde die Modularität technisch gelöst?

Vergleichbar mit einem Adapter lassen sich beispielsweise die Kurzhubachse Schunk ELB oder die Highspeed-Achsen der Schunk LDx-Reihe mit den unterschiedlichen Gebermodulen ausstatten. Die Achse bleibt identisch, lediglich das Gebermodul ändert sich. Ob Hiperface, Drive-CliQ, SSI oder 1Vss – immer kann also der identische Achstyp eingesetzt werden. Über die Busschnittstellen Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Profibus und Sercos III, die über den Antriebsregler zur Verfügung gestellt werden, lassen sich sämtliche LDx-Achsen und die ELB-Kurzhubachsen zügig in übergeordnete Anlagensteuerungen einbinden.

Bei welchen Komponenten hat Schunk die modularen Geberschnittstellen bereits umgesetzt?

Vorreiter waren die servoelektrisch angetriebenen Pick&Place-Einheiten der Baureihe PPU-E 15 und die Lineardirektachsen der Baureihen LDx und ELB. Ende dieses Jahres folgen das Drehmodul ERD mit Drive-CliQ sowie das neue Drehmodul ERT mit Hiperface DSL und Drive-CliQ. In den kommenden Jahren werden wir dieses Portfolio weiter ausbauen.