Deltaroboter mit dezentraler Steuerung Vier Arme für schnelles Verpacken

Moderne Verpackungsprozesse leben von der Geschwindigkeit. Produzierte Güter müssen möglichst nahtlos verpackt werden, ohne Fertigungsprozesse zu verlangsamen oder auszubremsen. Um die Automatisierung von Packag­ing-Prozessen zu beschleunigen und zu flexibilisieren, haben Ingenieure von Omron den ersten Deltaroboter mit 4-Arm-Kinematik entwickelt.

Vorteile der 4-Arm-Bauweise

Im Gegensatz zur klassischen 3-Arm-Kinematik, bei der die Arme in 120°-Winkel zueinander angeordnet sind, hat der Quattro-Roboter vier Arme im Winkel von 90° zueinander angeordnet. Dadurch ergeben sich etliche Vorteile:

• Der Roboter verfügt über eine erhöhte Dynamik und damit über eine erhöhte Geschwindigkeit, weil mehr Arme/mehr Motoren den Roboterflansch im Raum bewegen.

• Die Rotation des Roboterflansches resultiert aus der Koordination der vier Arme an einer – Plattform genannten – rautenförmigen Gelenkkonstruktion. Diese ist insbesondere bei einem Crash wesentlich robuster im Vergleich zur Deltakinematik mit einer zentralen Teleskopachse. Letztere werden häufig durch eine immer quer zur Längsachse auftretende Kraft zerstört. Beim Quattro springen im Falle eines Crashs allenfalls die federgespannten Kugelköpfe zerstörungsfrei aus den Kugelpfannen der Plattform und lassen sich von Hand leicht wieder einsetzen.

• Die Ersatzteilhaltung ist wegen der vier gleichen Arme, im Vergleich zu einer zusätzlichen zentralen Teleskoprotationsachse, reduziert.

• Je nach Anforderung der Applikation an den Rotationswinkel sind vier verschiedene Plattformen (0°, +/- 46°, +/- 92° bis zu +/- 185°) erhältlich, die ein Handhabungsgewicht von bis zu 15 kg erlauben. Ein Wert, der von anderen Kinematiken dieser Klasse unerreicht ist.

Der Quattro verfügt dank des vierten Arms zudem über einen etwa 30 Prozent größeren Arbeitsbereich und kann damit zum Beispiel breitere Förderbänder nutzen. Zudem erlaubt die Kinematik eine zusätzliche Drehung der Nutzlast und damit eine Richtungsänderung des Objekts während des Handlings. Als einer der wenigen Parallelroboter seiner Klasse erfüllt er zudem die strengen Hygieneanforderungen des United States Department of Agriculture (USDA), so dass er auch für das Primary Packaging in direktem Kontakt mit Lebensmitteln oder Pharmaprodukten geeignet ist.

„Wir bei Omron sind stolz darauf, mit dem Quattro einen Roboter für anspruchsvolle Verpackungsprozesse im Portfolio zu haben, der nicht nur sehr genau und sehr schnell arbeitet – bis zu 300 Items pro Minute sind beim Pick-and-Place möglich –, sondern der auch hohe Hygieneanforderungen erfüllt und dafür auch zertifiziert ist“, sagt Dr. Klaus Kluger, General Manager Central Region bei Omron.

Lokaler Controller reduziert Materialaufwand

Bei der Integration eines Roboters in eine Fertigungslinie werden normalerweise zwei Steuerungen in einer größeren vereinigt, was nicht nur eine Menge Platz im Schaltschrank beansprucht, sondern auch entsprechende Verkabelungen mit sich bringt – und das teilweise über weite Entfernungen. Mit dem SmartController EX von Omron und der in den Roboteraufbau integrierten Servosteuerung sinkt nun der benötigte Platz im Schaltschrank.

Der SmartController EX lässt sich als dezentraler Controller für maximal vier Roboter einsetzen. Er übernimmt die Bahnplanung der Roboter, die über eine einfache Datenleitung angeschlossen sind. Die Servoverstärker und deren Ansteuerung befinden sich integriert in der Roboterbasis. Diese Architektur bringt einige Vorteile mit sich: Neben dem geringeren Platzverbrauch sinkt der Verkabelungsaufwand zwischen Schaltschrank und Roboterzelle, weil keine Motor- und Encoderkabel verlegt werden müssen. Zudem fallen die Kabelwege innerhalb des Roboters von den Verstärkern zu den Motoren kürzer aus. Zugleich wird die Steuerung unempfindlicher gegenüber Störungen durch externe elektromagnetische Felder.

Die Steuerungsarchitektur selbst ist nicht eigens für den Quattro entwickelt worden. Alle anderen Omron-Roboter arbeiten nach demselben Prinzip. Lediglich bei der Viper-Serie sind die Servoverstärker nicht in der Roboterbasis, sondern in einem eigenen Gehäuse untergebracht. Dieses kann sowohl im Schaltschrank als auch beim Roboter montiert werden.

Software-Suite für Verpackungsanwendungen

In Verbindung mit der optional lizenzierbaren Software PackXpert lassen sich darüber hinaus komplette Verpackungslinien mit dem Quattro aufbauen. Integriert sind nützliche Funktionen wie Simulation und Load Balancing für alle an der Linie beteiligten Einheiten. Die Software ermöglicht es dem Anwender, durch Parametrierung und meist ohne jegliche Programmierung, auch sehr komplexe Verpackungsaufgaben zu lösen. Mit Hilfe der Software lässt sich beispielsweise eine Verpackungslinien mit multiplen Controllern umsetzen, die jeweils bis zu vier Omron-Roboter steuern. Gestützt auf Bildverarbeitung können sich die Roboter mit den Produkten auf mehreren Fließbändern synchronisieren, diese greifen und an verschiedenen Positionen absetzen. Ausgelassene Produkte werden den nachfolgenden Robotern erneut zugewiesen.

„Robotik ist für Omron kein isoliertes Produkt, sondern wir schauen immer auf das Zusammenspiel aller Komponenten, um unseren Kunden tragfähige und effiziente Automatisierungslösungen zu bieten“, betont Dr. Klaus Kluger. „Dazu gehört in jedem Fall die Software, aber auch weitere Komponenten wie Zuführung, Bildverarbeitung, Steuerung natürlich und nicht zuletzt Training und Service.“

Schneller verpackt als produziert

Gehörten Verpackungsprozesse früher oft zu den Flaschenhälsen in der Fertigung, ist es heute nicht zuletzt aufgrund der Fortschritte in der Robotik oft umgekehrt: Der Verpackungsprozess „zieht“ geradezu an den Vorgängen rund um die eigentliche Herstellung. Das zeigte sich beispielsweise bei einem Süßwarenhersteller in Italien. „Innerhalb von nur einer Minute werden dort in einer Anlage mit Omron-Equipment 4.500 bis 5.000 Kekse erst- und weiterverpackt – deutlich mehr, als in der gleichen Zeit produziert werden können“, berichtet Kluger. Zum Einsatz kommen dort 14 Quattro-Roboter, jeweils mit 8-fach-Greifer, wobei die Produkte jeweils einzeln angefahren und gegriffen werden.