Elektrogreifer für Flaschenhandling

Andrea Gillhuber,

Individualisierte Greifer

Der Trend zur Individualisierung und Personalisierung von Massenprodukten entwickelt sich rasant. Neben der Automobil- und Pharmaindustrie hält dieser auch immer mehr Einzug in die Lebensmittelherstellung. Zwar gibt es schon einzelne personalisierte Lebensmittel auf dem Markt, jedoch stoßen vor allem in der Getränkeindustrie die bisher eingesetzten Produktions- und Prozessleitstrukturen schnell an ihre Grenzen. 

Abgedichteter Servo-Greifer mit speziell entwickelten Greifbacken für das Flaschen-Handling. © Zimmer Group

Durch Industrie 4.0 ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, kundenindividuelle Massenprodukte flexibel und wirtschaftlich lohnend herzustellen. Die Lehrstühle für Brau- und Getränketechnologie sowie für Lebensmittelverpackungstechnik der TU München haben deshalb zusammen mit dem Fraunhofer IGCV und den Industriepartnern Krones, Beckhoff, ProLeiT, Siemens, Dekron, Yaskawa Europe und der Staatsbrauerei Weihenstephan sowie der infoteam Software ein innovatives Automatisierungskonzept entwickelt. RoboFill 4.0, so der Projektname, ist ein für die Abfüll- und Getränketechnik neuartiges, flexibles und modulares Konzept zur industriellen Bereitstellung von kundenindividuellen Getränkeflaschen beziehungsweise -gebinden. Im Fokus stehen Losgrößen in kleinen Chargen bis hin zu Unikaten. Alle Anlagenkomponenten sollten laut Projektvorgabe als cyberphysische Systemkomponenten – einem Kernelement von Industrie 4.0 – gestaltet werden, die mittels Netzwerk- und Cloudtechnologien kontinuierlich untereinander und mit überlagerten Systemen kommunizieren. Dies ermöglicht eine autonome Produktionssteuerung und bildet gleichermaßen die Grundlage für Optimierungsverfahren in der Produktionstechnik, zum Beispiel Predictive Maintenance.

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Abgedichteter Servo-Spezialgreifer für Flaschen-Handling

Als die Greiferspezialisten der Zimmer Group angefragt wurden, sich an dem Projekt der Bayerischen Forschungsstiftung zu beteiligen, wurde nicht lange überlegt. Kurzentschlossen beteiligte sich das Rheinauer Unternehmen an dem Projekt. Im Laufe der Projektarbeit zeigte sich die Komplexität der Aufgabe: Die Liste der Herausforderungen wurde immer länger, je mehr man sich mit der Thematik befasste, und auch die Anforderungen der Partner wuchs im ersten Jahr des Projektes stetig an.

Blick auf das Bedienpanel des Roboters. © Zimmer HMI

Die Entwicklung eines geeigneten Greifers für die Handhabung unterschiedlichster Glasflaschen mit Robotern gestaltete sich sehr aufwändig und komplex, da bei der Realisierung die unterschiedlichsten Themenbereiche tangiert und berücksichtigt werden mussten. Dazu zählten unter anderem kraftgesteuertes Greifen, abgedichtete Komponenten, ausschließliche Verwendung von lebensmittelechten Materialien beziehungsweise Schmierstoffen (NSF-H1) und die Kommunikation der Greifer mit der Robotersteuerung. Beim Handling der Flaschen musste des Weiteren sichergestellt sein, dass keine Flasche bei Notaus oder einem Stromausfall an der Anlage zu Bruch gehen durfte. Auch die Entwicklung von speziellen Greifbacken, welche alle angedachten Flaschentypen von 0,33 l bis 0,75 l sicher am Flaschenhals und auch am Flaschenbauch handhaben sollten, stellte das Entwicklerteam bei der Zimmer Group vor eine große Herausforderung.

Schnell stellte sich heraus, dass nur ein Elektrogreifer der aktuellen Generation, der Serie GEH6000 mit Servoantrieb, für diese Aufgabe geeignet sein konnte. Doch dieser stand zum damaligen Zeitpunkt nur als Prototyp bereit und war für viele der genannten Anforderungen gar nicht konzipiert worden. So war es enorm aufwendig, einen elektrischen und kompakt konstruierten Großhubgreifer so abzudichten, dass er im Stillstand mit laugehaltigem Spritzwasser gereinigt werden kann oder dass auch bei einem möglichen Flaschenplatzer kein Ausfall durch einen Kurzschluss zu befürchten ist. Es folgten mehrere Entwicklungsschleifen, in denen man die in Tests gewonnenen Erkenntnisse zur Bauteilgeometrie sowie deren Beschichtungsverfahren und die verwendeten Materialien der verschiedenen verbauten Dichtungen und Abstreifer umsetzte.

Entwicklung eines Greifer-Steuerungsinterfaces

Als nennenswerte Neuerung kann die Lösung bezeichnet werden, welche das Problem mit der Kommunikation zur Robotersteuerung beseitigte. Hier wurde nicht wie allgemein üblich eine parallel arbeitende zweite Steuerung für die mit IO-Link operierenden Greifer aufgebaut, sondern eigens ein spezielles Greifer-Steuerungsinterface (HMI) entwickelt und in die Robotersteuerung implementiert. Erik Bauhaus, Projektverantwortlicher und Entwickler M-TB bei der Zimmer Group, lobte vor allem die hervorragende Zusammenarbeit mit dem Roboterhersteller Yaskawa. Diese trägt auch über das Projekt hinaus Früchte: „Durch die Implementierung der Zimmer-HMI in die Robotersteuerung ist es jetzt bei vielen Industrierobotern möglich, bis zu vier elektrisch oder auch pneumatisch angetriebene Zimmer-Greifer zu steuern“, erklärt Bauhaus.

Visualisierung einer FE-Ergebnis-Analyse der Greifbacken. © Zimmer Group

Um die Entwicklungszeit und -kosten für die Greifbacken möglichst niedrig zu halten, wurden diese vorab mittels Finite-Elemente-Analysen vorausgelegt und dann additiv in einem 3D-Druckverfahren gefertigt. Die hausinterne Prototypenfertigung sowie die Möglichkeit, in der Versuchsabteilung vorab auch komplexe Tests durchzuführen, haben maßgeblich zum Erfolg des Projektes beigetragen.

Ähnlich wurde auch bei der Entwicklung der Flaschenträger für das Beckhoff XTS System vorgegangen. Die Testanlage wurde zum Projektende in der Forschungsbrauerei Weihenstephan in Betrieb genommen und wird in den nächsten Jahren auf seine Marktreife und Alltagstauglichkeit hin getestet. So könnte in Zukunft auch ein Verkauf des Komplettsystems möglich sein. Anfragen dazu hatte es in der Vergangenheit bereits gegeben.

 

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