Kraft-Momenten-Sensoren (KMS): Industrieroboter bekommen ein Gefühl

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aktualisiert am 07.09.2020 - 09:49:33
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Kraft-Momenten-Sensoren

Mithilfe von Kraft-Momenten-Sensoren werden sehr genaue und präzise Aufgaben für Roboter ermöglicht. So können verschiedene kraftgesteuerte Bewegungen durchgeführt werden.

Frage/Definition: Was ist/sind Kraft-Momenten-Sensoren?
Auch oft gesucht: KMS, 3-Achs-Kraft-Momenten-Sensoren, 6-Achs-Kraft-Momenten-Sensoren



Warum Kraft-Momenten-Sensoren?

In vielen industriellen Gebieten ist der Mensch dem Roboter überlegen. Dies gilt im Besonderen bei Montagearbeiten, bei denen es auf das Fingerspitzengefühl ankommt. Um auch in diesem Gebiet wirtschaftliche Automatisierungslösungen anbieten zu können, haben verschiedene Roboterhersteller in den letzten Jahren spezielle Roboter mit integrierten Kraftsensoren auf den Markt gebracht. Solche Spezialroboter sind jedoch in der Anschaffung sehr teuer. Die Alternative hierzu ist einen Standard-Industrieroboter mit einem Kraft-Momenten-Sensor (KMS) auszurüsten. Dieser Sensor wird zwischen Roboterflansch und Greifer / Werkzeug angebracht. Somit ist es möglich alle auf das Werkzeug wirkenden Kräfte zu erkennen. Der Standardroboter bekommt quasi „Gefühl“ und kann somit kraftgesteuerte Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden durchführen.

Vorteile sind:

  • einfache Programmierbarkeit komplexer Aufgaben
  • Freigabe kraftsensitiver Anwendungen & einfache Kraftsteuerung
  • Steigerung der Robustheit und Flexibilität bei Roboterzellen

Aufbau von Kraft-Momenten-Sensoren

Der Aufbau eines Kraft-Momenten-Sensors sieht wie folgt aus: Im Inneren des Sensorgehäuses befinden sich drei, im 120°-Winkel zueinander, radial angeordnete Metallstege. Wird nun eine Kraft aufgebracht verformen sich diese Stege im Mikrometerbereich. Diese Verformung lässt sich mittels, auf den Stegen aufgebrachten, Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Elementen, detektieren. Die so erhaltenen elektrischen Signale werden von der Elektronik des Sensors in Kraft- und Drehmomentwerte umgerechnet.

Arten

Kraft-Momenten-Sensoren unterscheiden sich insbesondere in der Größe und Art der Übertragung. So gibt es KMS

  • mit Übertragung via Ethernet, DeviceNet, ProfiNet
  • mit Datenerfassung via DAQ-Karte / PC
  • als Messsystem mit analogen oder I/O-Anschlüssen
  • mit Funkübertragungssystemen / WLAN

Einsatzgebiete

Anwendung eines Kraftsensors bei der Handhabung mit Nadeln

Das durch den KMS hinzugewonnene „Gefühl“ ermöglicht es einen Standardroboter auch Aufgaben durchführen zu lassen bei denen zuvor der Mensch mit seiner Sensibilität und seinem Feingefühl eingesetzt werden musste. Das dadurch neu erschließbare Einsatzgebiet ist sehr vielfältig und kann vom Fügen und Montieren eng tolerierter über das Handhaben zerbrechlicher und stoßempfindlicher Bauteile bis hin zur Qualitätssicherung im Montageprozess gehen. Im zuletzt genannten Fall können zum Beispiel bei Montageprozessen die auftretenden Kräfte und Momente detektiert werden, wodurch es möglich wird schon während der Montage Unregelmäßigkeiten im Prozess festzustellen ohne, dass ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Qualitätskontrolle durchgeführt werden muss. Somit lässt sich auch bei großen Stückzahlen eine 100%-Prüfung in den Montageprozess integrieren.

Einzelne Gebiete sind:

  • Pick and Place
  • Maschinenbeschickung
  • Endbearbeitung
  • Qualitätsprüfung
  • Montage
  • Pfadaufzeichnung

Die Einsatzmöglichkeiten von Kraft-Momenten-Sensoren in der Robotik sind noch lange nicht ausgeschöpft und bieten daher auch in Zukunft viel Raum für neue Automatisierungslösungen und Innovationen.

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