Vakuum-Wissen. Das Vakuum-System und seine Bauteile. Vakuum-System im Überblick

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1 Das System und seine Bauteile System im Überblick Systeme werden als Greifer in automatisierten Applikationen eingesetzt. Bei der Auslegung des Systems profitieren die Kunden von dem breiten Komponentenprogramm des Spezialisten Schmalz. Zentrale oder dezentrale Erzeugung mittels Ejektor, Pumpe oder Gebläse Schnelle und flexible Anbindung von Komponenten an Toolingsysteme Ventile dienen der Steuerung des Vakuums sowie der Druckluft (dezentral oder zentral) Komplettlösungen wie Flächengreifsysteme, Lagengreifer oder Saugspinnen speziell auf Kundenbedürfnisse angepasst Filter und Filter schützen den ; Schläuche und verknüpfen die Komponenten Systemüberwachung Mess- und Steuerungskomponenten sorgen für den sicheren Betrieb des Systems oder Schnittstelle zwischen System und Werkstück Befestigungs- Einführung elemente 19

2 Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te Der ist das Bindeglied zwischen dem Werkstück und der Handhabungsanlage. Er besteht aus dem Sauger (Elastomerteil) und einem Anbindungselement. Einführung Der wird eingesetzt, um ein Werkstück in einer Anlage oder an einem Roboter zu greifen und zu bewegen. Dabei saugt sich der nicht am Werkstück fest, der Umge - bungsdruck (Atmosphärendruck) drückt das Werkstück gegen den bzw. den gegen das Werkstück. Dazu muss der umgebende Druck höher sein als der Druck zwischen Saug - greifer und Werkstück. Diesen Druckunterschied erreicht man, indem man den an einen anschließt. Der saugt die Luft zwischen und Werkstück ab, man spricht auch von einer Evakuierung. Sobald der die Werkstückoberfläche berührt und sie gegen den Umgebungsdruck abdichtet, wird der nötige Unterdruck erzeugt. Die Haltekraft eines s ergibt sich, indem man die Druckdifferenz mit der effektiven Saugfläche des s multipliziert. Die Haltekraft F lässt sich also mit folgender Formel berechnen: F = p x A F = Haltekraft p = Differenz zwischen Umgebungsdruck und Systemdruck A = Effektive Saugfläche (die mit Vakuum beaufschlagte, wirksame Fläche eines s) Die Haltekraft ist somit proportional zur Druckdifferenz und zur Fläche. Die Haltekraft ist umso größer, je höher die Differenz zwischen Umgebungsdruck und Druck im ist oder je größer die effektive Saugfläche ist. Damit kann die Kraft mit einer Veränderung der Parameter Druckdifferenz und Fläche variiert werden. Bauformen der von Schmalz unterteilen sich in Universal- und für spezielle Anwendungen. Universell einsetzbare decken ein breites Anforderungsspektrum ab. für spezielle Anwendungen sind für individuelle Branchen- Anforderungen entwickelt worden. Sie zeichnen sich durch besondere Eigenschaften aus, z. B. für die Handhabung von dünnwandigen und öligen Karosserieblechen in der Blechindustrie oder für poröse und strukturierte Werkstücke in der Holzindustrie. 20

3 Das System und seine Bauteile Allgemein werden folgende Bauformen unterschieden: Flachsauggreifer Flachsauggreifer eignen sich insbesondere zur Handhabung von Werkstücken mit ebener oder leicht gewölbter Oberfläche. Durch die flache Bauform und das geringe innere Volumen können die Flachsauggreifer schnell evakuiert werden, d. h. Werkstücke werden in kürzester Zeit angesaugt und mit hoher Dynamik gehandhabt. Vorteile von Flachsauggreifern Umfangreiches Programm unterschiedlicher Saugermaterialien und Geometrien (rund, oval, steil bzw. flach auslaufende Dichtlippe) Niedrige Bauform und geringes inneres Volumen führt zu minimalen Ansaugzeiten Gute Eigenstabilität des s ermöglicht im angesaugten Zustand hohe Querkräfte und Positioniergenauigkeit Typische Einsatzgebiete Handhabung von glatten bis leicht rauen Werkstücken wie Blechtafeln, Kartons, Glasscheiben, Kunststoffteilen und Holzplatten In automatisierten Prozessen mit kurzen Zykluszeiten Balgsauggreifer Balgsauggreifer werden eingesetzt, wenn Werkstücke mit unterschiedlichen Höhen, unebenen Oberflächen oder auch empfindliche Teile gehandhabt werden müssen. Der Balg macht diesen besonders flexibel und anpassungfähig. Vorteile von Balgsauggreifern Gute Anpassung an unebene Oberflächen Hubeffekt beim Ansaugen Ausgleich von Höhenunterschieden Schonendes Ansaugen empfindlicher Werkstücke Typische Einsatzgebiete Handhabung gewölbter oder unebener Werkstücke wie Karosseriebleche, Rohre, Kartonagen etc. Handhabung empfindlicher Werkstücke wie Elektronikbauteile, Kunststoff-Spritzgießteile etc. Handhabung biegeschlaffer oder flexibler Werkstücke wie verpackte bzw. folienverschweißte Produkte Flachsauggreifer Balgsauggreifer Jede Bauform weist Vorteile auf, welche durch die Kombination mit dem geeigneten Material des s verstärkt und optimiert werden. Die verfügbaren Saugermaterialien werden im Abschnitt Materialien der ausführlich erläutert. Innerhalb dieser beiden Gruppen ist eine Vielzahl unterschiedlicher -Typen verfügbar. Im Inhaltsverzeichnis des Kapitels sind weiterführende Informationen zu Grunddaten und Einsatzgebieten der einzelnen Baureihen zu finden. Materialien der Anwendung und Umgebungsbedingungen sind für die Auswahl des passenden s und des passenden Werkstoffs entscheidend. Oftmals sind zum Beispiel Abriebfestigkeit, Ölbeständigkeit oder Lebensmittelechtheit des Saugers gefordert. Diese Anforderungen lassen sich über die Auswahl des passenden Werkstoffs lösen. Schmalz entwickelt seine Saugermaterialen selbst. In einem eigenen Kunststoff-Kompetenz-Zentrum werden neue Werkstoffe entwickelt, getestet und optimiert. 21

4 Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te 22 Werkstoffübersicht Tempe ratur - Weitere Spezifikationen Mechanische Eigenschaften Chemische Beständigkeit Beschreibung beständigkeit* Kurzbezeichnung Chem. Bezeichnung / Handelsmarke Farbe / Kennung Ozonbeständigkeit Ölbeständigkeit Kraftstoffbeständigkeit Beständigkeit gegen Alkohol, Ethanol 96 % Allgemeine Witterungsbeständigkeit Lösungsmittelbeständigkeit Allgemeine Beständigkeit gegen Säuren Dampfbeständigkeit Verschleißfestigkeit / Abriebwiderstand Widerstand gegen bleibende Verformung Reißfestigkeit Spezifischer Widerstand in [Ω x cm] Shorehärte nach DIN ISO 7619 Kurzzeitig in C (< 30 sec.) Längerfristig in C Zielbranche Lebensmittelkonformität nach CFR FDA Abdruckarm LABS-Freiheit * Richtwert: abhängig von Umgebungstemperatur, Anpressdruck, Erholzeit sowie Wandstärke ** Silikon tempern 4 h/200 C = ~+5 Shore A *** Bei geringfügiger Ölbenetzung **** Bei Moosgummi technisch bedingt schwankend NBR NBR-AS SI SI-AS NK HT1 Nitril-Kautschuk Silikon-Kautschuk Natur- Hoch- (AS = antistatisch) (AS = antistatisch) kautschuk temperatur Werkstoff schwarz, grau, schwarz mit weiß (trans- schwarz mit grau, hellbraun, blau blau, hellblau blauem Punkt luzent), grün rotem Punkt schwarz bis 90 ± 5 55 ± 5 30 bis 85 ± 5** 55 ± 5 30 bis 90 ± 5 60 ± 5-30 bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis +140 Universal Universal Verpackung, Verpackung, Holz, Kunststoff, CD/DVD CD/DVD, Verpackung Glas Elektronik NBR-60, NBR-45 Ausgezeichnet Sehr gut Gut Gering bis befriedigend

5 Das System und seine Bauteile Werkstoffübersicht ED PU VU1 PVC FPM CR EPDM EPDM-MOS ECO Elastodur Polyurethan Vulkollan Polyvinyl- Fluor- Chloropren- Ethylen- Ethylen- Epichlor chlorid Kautschuk Kautschuk Propylen- Propylen- Kautschuk Kautschuk Moosgummi grün, blau blau, dunkelgrün blau schwarz mit schwarz, grau schwarz, grau schwarz, grau schwarz dunkelgrün (transluzent) weißem Punkt *** *** ( ) ( ) 60 bis 85 ± 5 55 ± 5 72 ± 5 50 ± 5 65 ± ± 5 ~15**** 60 ± 5-40 bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis bis +130 Verpackung, Verpackung Metall, Verpackung, Glas, Metall, Glas Metall, Metall Metall Verpackung, CD/DVD Solar, Holz Holz Glas, Holz Metall ED-85, ED-60 23

6 Das System und seine Bauteile Lagerung und Reinigung der Wegen des empfindlichen Elastomerteils des s müssen folgende Hinweise zur Lagerung und Reinigung beachtet werden: sollten kühl (0 C 15 C, max. 25 C), dunkel, trocken, staubarm, witterungs-, ozon- und zugluftgeschützt sowie spannungsfrei gelagert werden. Die Einwirkung von Ozon, Licht (besonders UV), Wärme, Sauerstoff, Feuchtigkeit sowie mechanische Einwirkungen können die Lebensdauer des s verkürzen. können mit Seife und warmem Wasser gereinigt und anschließend bei Raumtemperatur getrocknet werden. Technische Daten der Zur konstruktiven Planung eines Systems sind bestimmte Berechnungen für die Auslegung der einzelnen Komponenten notwendig. Die angegebenen Werte basieren auf einem Level von -0,6 bar sowie trockener bzw. geölter Werkstückoberfläche. Sie sind ohne Sicherheitsfaktor angegeben. Je nach Einsatzbedingungen müssen für auftretende Reibung oder nicht erreichten Unterdruck (z.b. durch poröse Werkstücke) Abschläge angesetzt werden. Im Folgenden werden die wichtigsten technischen Daten der erläutert. Befestigungselemen te Theoretische Saugkraft Querkraft Inneres Volumen F TH F R F G F G Die theoretische Saugkraft bezeichnet die Kraft, die senkrecht zur Fläche wirkt. Die Angaben im Katalog sind errechnete Werte in Newton. Die Querkraft bezeichnet die Kraft, die tangential zur Saugfläche wirkt. Die Angaben im Katalog sind gemessene Werte in Newton. Das innere Volumen gibt das Volumen eines Körpers an, welches bei einem Ansaugvorgang evakuiert werden muss. Es dient zur Ermittlung des Gesamtvolumens des Greifsystems und fließt in die Berechnung der Ansaugzeiten ein. 24

7 Das System und seine Bauteile Minimaler Wölbungsradius des Werkstücks Saugerhub Gibt den Radius an, bis zu welchem das Werkstück mit dem jeweiligen sicher gegriffen werden kann. Saugerhub Bezeichnet den Hubeffekt (z), der beim während des Ansaugvorgangs entsteht. Auslegung der Die Auslegung des s hängt stets vom konkreten Anwendungsfall ab. Deshalb sind für die richtige Auslegung vorab Berechnungen und Ermittlungen von physikalischen Größen notwendig. Die Auslegung eines Systems wird anhand eines Berechnungsbeispiels in diesem Kapitel genauer beschrieben. Reibungskoeffizient Der Reibungskoeffizient µ bezeichnet das Verhältnis von Reibungskraft zur Normalkraft. Allgemein gültige Angaben zum Reibungskoeffizienten zwischen und Werkstück können nicht gemacht werden. Dieser muss durch Versuche konkret ermittelt werden, dabei haben Beschaffenheit der Werkstückoberfläche (rau / trocken / freucht / ölig) oder die Eigenschaften des s (Bauform / Dichtlippe / Dichtkante / Saugerwerkstoff/ Shorehärte) wesentlichen Einfluss. Berechnung der Haltekräfte Bei der Berechnung von Haltekräften kann es sich nur um theoretische Werte handeln. In der Praxis spielen viele Faktoren, wie die konstruktive Auslegung des s sowie die Oberflächen-Beschaffenheit und Eigenstabilität des Werkstückes (Deformation) eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund empfehlen wir einen Sicherheitsfaktor S von mindestens 2. Die Unfallverhütungsvorschrift UVV schreibt verbindlich einen Sicherheitsfaktor von 1,5 vor. Dabei ist zu beachten, dass der Sicherheitsfaktor bei Werkstück schwenken unter Berücksichtigung auftretender Kippmomente mit 2,5 oder höher anzusetzen ist. Die Haltekraft eines s ergibt sich aus dem Produkt von: F = p x A F = Haltekraft (ohne Sicherheitsfaktor, rein statisch) p = Differenz zwischen Umgebungsdruck und Systemdruck A = Effektive Saugfläche (die mit Vakuum beaufschlagte Fläche eines s) Richtwerte-Tabelle Werkstückoberfläche Glas, Stein, Kunststoff (trocken) Sandpapier (trocken) Feuchte, ölige Oberfläche Reibungskoeffizient ca. µ ca. 0,5 1,1 0,1 0,4 25

8 Das System und seine Bauteile Durchmesser des s Die Haltekraft eines s ist abhängig von seinem wirksamen Durchmesser. Darüber hinaus sind die Beschaffenheiten des Werkstücks sowie die Anzahl der ausschlaggebend für die Haltekraft, die ein System aufbringen kann. Der erforderliche Durchmesser eines s lässt sich nach den folgenden Formeln berechnen: Bei horizontalem Ansaugen: m x S d = 1,12 x P U x n d = Saugerdurchmesser in cm (bei Doppellippe innerer Durchmesser, bei Balgsauggreifer = Innendurchmesser der Dichtlippe) d Bei vertikalem Ansaugen: m x S d = 1,12 x P U x n x µ m = Masse des Werkstückes in kg P U = Unterdruck in bar n = Anzahl der µ = Reibungskoeffizient S = Sicherheitsfaktor Befestigungselemen te Berechnungsbeispiel bei horizontalem Ansaugen: 50 kg x 2 d = 1,12 x 0,4 bar x 4 d = 8,85 cm Eine sinnvolle Wahl ist der PFYN 95 mit einem Nenndurchmesser von 95 mm. Kunststoffplatte: m= 50 kg Unterdruck: P U = 0,4 bar Anzahl der : n = 4 Gemessener Reibungskoeffi zient: µ = 0,5 Sicherheitsfaktor: S = 2 Berechnungsbeispiel bei vertikalem Ansaugen: 50 kg x 2 d = 1,12 x 0,4 bar x 4 x 0,5 d = 12,5 cm Eine sinnvolle Wahl ist der PFYN 150 mit einem Nenndurchmesser von 150 mm. Kunststoffplatte: m= 50 kg Unterdruck: P U = 0,4 bar Anzahl der : n = 4 Gemessener Reibungskoeffi zient: µ = 0,5 Sicherheitsfaktor: S = 2 Saugvermögen bzw. erforderlicher Volumenstrom [ ] Für die Saugkraft sind einerseits die Höhe des Unterdrucks und andererseits der Volumen strom entscheidend, der den Unterdruck aufbaut. Das Mate rial des Werkstücks ist die Bestim mungs größe für das erforderliche Saugvermögen. In der Tabelle finden Sie Richtwerte für den Volu menstrom bzw. das Saug ver mögen in Abhängig keit vom -Durchmesser. Wichtig: Bei porösen Teilen unbedingt Saugversuche durchführen! Richtwert-Tabelle (bei glatter, dichter Oberfläche) Ø Saugfläche A Volumenstrom [cm 2 ] [m 3 /h] [l/min] bis 60 mm 28 0,5 8,3 bis 120 mm 113 1,0 16,6 bis 215 mm 363 2,0 33,3 bis 450 mm ,0 66,6 26

9 Das System und seine Bauteile kommen bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen die üblichen nicht einsetzbar sind. Einsatzgebiete der sind beispielsweise das Handling von Wafern, Folien, Papier, bruchempfindlichen Werkstücken oder gewebeartigen Faserverbundwerkstoffen. Sie dienen, genau wie die, als Verbindungselement zwischen dem Werkstück und der Hand - habungsanlage. Grundsätzlich werden bei Schmalz folgende Baureihen unterschieden: Schwebesauger Wafergreifer Magnetgreifer Composite-Greifer Nadelgreifer Schwebesauger Schwebesauger sind pneumatisch betriebene mit integrierter Erzeugung. Sie funktionieren nach dem Bernoulli- Prinzip und arbeiten als berührungsarmes System. Das Werkstück schwebt auf einem Luftpolster am. Der Schwebesauger ist somit für die Handhabung äußerst empfindlicher Produkte prädestiniert. Durch den hohen Volumenstrom kann eine Leckage, z. B. bei der Handhabung von porösen Werkstücken, kompensiert werden. Vorteile von Schwebesaugern: Berührungsarme Handhabung Hoher Volumenstrom Sicheres Vereinzeln von dünnen, porösen Werkstücken Integrierte Erzeugung Typische Einsatzgebiete: Handhabung von Faserverbundstoffen, Papier, Folie, Holzfurnier, Leiterplatten, Wafern und Solarzellen Vereinzelung von dünnen, porösen Werkstücken 27

10 Das System und seine Bauteile Magnetgreifer Das sichere Greifen von ferromagnetischen Werkstücken wird bei Magnetgreifern über das Magnetfeld eines integrierten Dauer - magneten realisiert. Der Magnet wird über Druckluft bewegt, um das Greifen zu aktivieren und zu deaktivieren. Magnetgreifer werden mit Pneumatikventilen betrieben. Am Greifer wird dabei keine Spannungsquelle benötigt. Vorteile von Magnetgreifern: Sicheres Greifen durch Dauermagnet ohne Spannungsquelle möglich Steuerung des Dauermagnets über Druckluft Typische Einsatzgebiete: Handhabung von ferromagnetischen Werkstücken Handhabung von Roh- und Lochblechen sowie Blechteilen mit Bohrungen/Ausbrüchen oder komplexen Formen Unterstützung von n beim hoch - dynamischen Handling von Blechteilen Befestigungselemen te Nadelgreifer Nadelgreifer stechen in das zu handhabende Werkstück ein und realisieren so den Greifprozess. Die Nadeln werden pneumatisch ausgefahren. Das gegenläufige Ausfahren der Nadeln erzeugt dabei die erforderliche Spannkraft, um das Werkstück sicher zu halten. Nach Beendigung des Greifvorgangs können die Nadeln entweder durch Federkraft oder ebenfalls pneumatisch wieder eingefahren werden. Vorteile von Nadelgreifern: Sicheres Handhaben von biegeschlaffen oder forminstabilen Materialien Unterschiedliche Bauformen für individuelle Einsatz - bedingungen Wählbare Nadeldurchmesser und einstellbare Hübe Typische Einsatzgebiete: Handhabung poröser und/oder biegeschlaffer Werkstücke wie Textilien, Isolier- und Schaumstoffe, Faserverbundwerkstoffe wie Kohle- und Glasfaser, Vlies oder Filze, Teppiche, Filter, Gewebe, Styropor sowie Metallschäume 28

11 Das System und seine Bauteile Wafergreifer Wafergreifer eignen sich hervorragend zur Handhabung von empfindlichen Teilen, insbesondere Photovoltaikkomponenten wie Wafer und Zellen. Der Wafergreifer verfügt über eine integrierte Erzeugung. Durch den hohen Volumenstrom und das moderate Niveau ist eine besonders schonende Handhabung möglich. Vorteile von Wafergreifern: Extrem schnelle und positionsgenaue Handhabung, Realisierung von Zykluszeiten unter einer Sekunde Hoher Volumenstrom bei niedrigem Luftverbrauch Integrierte Erzeugung inklusive Abblasfunktion Vielseitiges Zubehör für die optimale Anpassung an die unterschiedlichsten Prozessschritte in der Photovoltaikindustrie Typische Einsatzgebiete: Handhabung von Photovoltaikkomponenten auch unter Reinraum bedingungen Handhabung von empfindlichen Werkstücken Handhabung von porösen, durchsaugenden Werkstücken Composite-Greifer Composite-Greifer werden vor allem bei der Handhabung von empfindlichen Werkstücken eingesetzt. Sie sind pneumatisch betrieben und verfügen über eine integrierte Erzeugung. Durch den hohen Volumenstrom und das moderate Niveau eignen sich die Composite-Greifer hervorragend zur Handhabung empfindlicher Bauteile. Vorteile von Composite-Greifern Sicheres Greifen, auch bei porösen Materialien oder Teilbelegung Minimale Zykluszeiten und exakte Positionierung Integrierte Erzeugung inklusive Abblasfunktion Hoher Volumenstrom Typische Einsatzgebiete Handhabung von Faserverbundstoffen wie zum Beispiel CFK-Gelegen Handhabung von Elektroden, Separatoren und Batteriezellen Handhabung von extrem dünnen, empfindlichen Bauteilen Handhabung von porösen, durchsaugenden Werkstücken Handhabung von unbestückten Leiterplatten 29

12 Filter Filter und und Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te Schmalz bietet ein breites Produktprogramm an Befestigungsmöglichkeiten, um Greifer ( oder ) individuell in ein Greifsystem zu integrieren. Grundsätzlich werden folgende Befestigungsmöglichkeiten unterschieden: Endeffektoren Federstößel Profile, Traversen und Gelenkige Aufnahmen Halter und Adapter Produkte von Schmalz sind im Kapitel enthalten. Endeffektoren Der Schmalz Systembaukasten für Endeffektoren VEE ermöglicht die schnelle, flexible Konfiguration von Endeffektoren für verschiedenste Prozesse. Zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten von Einspeisung und -zonen, Verbindungselementen und anschlüssen stehen zur Wahl, um den passenden Endeffektor zu erstellen. Verbindungs - rohre Flanschplatten Flanschmodule Grundmodule Verbinder oben Die Endeffektoren lassen sich mit vielen n aus dem Schmalz-Produktprogramm kombinieren (Kapitel ). G3/8 -IG Verbindungs - knoten Verschluss - stopfen G1/8 -IG (frei wählbar aus dem Schmalz-Programm) Stabilisierungselement (wählbar über Saugerzubehör) G1/4 -IG G3/8 -IG Verbinder unten (inkl. Dichtelement) 30

13 Das System und seine Bauteile Profile, Traversen und Vakuum Vakuum Mit diesen Elementen wird das Grundgerüst eines VakuumGreifsystems aufgebaut. Um den Aufwand für die Verschlauchung zu reduzieren, können die Profile mit stirnseitigem Deckel und Dichtrahmen auch als Verteiler aufgebaut werden. Halter und Adapter Mit Haltern und Adaptern werden die an das Grundgerüst oder die Traverse angebunden. Es sind verschiedene Ausführungen für Aluminium-Profile bzw. Vierkant- und Rundrohre erhältlich. Federstößel Filter und Vakuum Um Höhentoleranzen von Werkstücken auszugleichen, werden Federstößel eingesetzt. Darüber hinaus federn sie das Aufsetzen des s ab und ermöglichen die Handhabung von empfindlichen Werkstücken. Vakuum Gelenkige Aufnahmen Gelenkige Aufnahmen ermöglichen durch die allseitig schwenkbare Ausführung von Flexolink FLK und Kugelgelenk KGL eine bessere Anpassung des s an das Werkstück. Greifer (Kapitel oder ) 31

14 Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te stellen das für den Handhabungsvorgang nötige Vakuum bereit. Das Vakuum wird dabei entweder pneumatisch oder elektrisch erzeugt. Pneumatische realisieren kurze Zykluszeiten und können dank der kompakten und leichten Bauweise direkt im System integriert werden. Elektrische finden ihren Einsatz bei Anwendungen, in denen keine Druckluft zur Verfügung steht oder sehr hohe Saugleistungen gefordert sind. Pneumatische Ejektoren Elektrische Pumpen Gebläse Wichtig: Das Nenn-Saugvermögen aller wird in l/min bzw. m 3 /h angegeben. Diese Werte beziehen sich auf einen Umgebungsdruck von mbar (Meereshöhe) und eine Umgebungstemperatur von 20 C. Das maximale Saugvermögen bezeichnet daher den Volumenstrom, den der aus der Umgebung (freies Ansaugen) absaugt. Freies Ansaugen Nachsaugen bei angesaugtem Werkstück 32

15 Das System und seine Bauteile Ejektoren Ejektoren funktionieren nach dem Venturi-Prinzip, sie werden nach Anzahl der Düsenpaare zwischen einstufigen und mehrstufigen Ejektoren unterschieden. Bei Einstufenejektoren wird Druckluft durch den Anschluss (A) eingeleitet. Sie durchströmt die Venturi-Düse (B). Die Luft wird dabei beschleunigt und komprimiert. Nach Passieren der Düse entspannt sich die beschleunigte Luft und es entsteht ein Unterdruck (Vakuum). Auf diese Weise wird Luft durch den Anschluss (D) angesaugt. Die angesaugte Luft und die Druckluft treten über den Schalldämpfer (C) aus. Auf dem einstufigen Venturi-Prinzip basieren die Schmalz Grundejektoren, Inline-Ejektoren sowie die Kompaktejektoren. Neben dem einstufigen Venturi-Prinzip gibt es Ejektoren, bei denen das Vakuum durch mehrere hintereinander geschaltete Venturi-Düsen erzeugt wird. Druckluft wird durch den Anschluss (A) in den Ejektor eingeleitet. Sie durchströmt mehrere hinter - einander geschaltete Venturi-Düsen (B). Dadurch entsteht ein Unterdruck (Vakuum) und Luft wird durch den Anschluss (D) angesaugt. Die Saugvolumina der einzelnen Düsen addieren sich zum Gesamtsaugvermögen D. Die angesaugte Luft und die Druckluft treten über den Schalldämpfer (C) aus. Gegenüber den einstufigen Ejektoren erzielen die Mehrstufen - ejektoren ein vielfach höheres Saugvermögen bei gleichem Druckluftverbrauch im unteren Bereich. Auf dem mehrstufigen Venturi-Prinzip basieren die Schmalz Mehrstufenejektoren. Vorteile von Ejektoren Kompakte Bauform Geringes Gewicht Schneller Aufbau Keine beweglichen Teile, daher wartungs- und verschleißarm Einbaulage beliebig Keine Wärmeentwicklung Typische Einsatzgebiete Industrieroboter-Anwendungen in allen Branchen, wie zum Beispiel bei der Feeder-Zuführung in der Automobilindustrie Funktionsprinzip Einstufenejektor Funktionsprinzip Mehrstufenejektor 33

16 Das System und seine Bauteile Es werden drei Grundtypen von Ejektoren unterschieden: Grund- und Inline-Ejektoren Mehrstufenejektoren Kompaktejektoren Befestigungselemen te ohne Ventilsteuerung und Systemüberwachung mit hohem maximalem Niveau (85% Vakuum) Einsatz vorwiegend zur Handhabung luftdichter Werkstücke mit mehreren hintereinander angeordneten Düsenkammern mit sehr hohem Saugvermögen Einsatz vorwiegend zur Handhabung von porösen Werkstücken wie Karton, Spanplatten, OSB- oder MDF-Platten mit integrierter und Systemüberwachung; Bau - reihen SCPi/SMPi sowie SXPi/SXMPi sind mit IO-Link Technologie ausgestattet Steuerung von Saugen und Abblasen ohne externe Ventile möglich Pumpen Optional mit integrierter Luftspar - regelung Einsatz in vollautomatisierten Hand - habungsanlagen (z. B. Blechverarbeitung, Automobilbranche, Roboteran wendungen) Pumpen beinhalten ein exzentrisch angebrachtes Laufrad mit Lamellen (A). Durch die Fliehkraft werden die Lamellen nach außen gedrückt. So entstehen verschieden große Kammern (B), die durch die Lamellen abgedichtet werden. Durch die mit der Rotation zunehmende Vergrößerung der Kammer dehnt sich die Luft aus. Der Luftdruck sinkt und es entsteht ein Unterdruck (Vakuum). Die Luft wird durch diesen Vorgang an der Saugseite (C) abgesaugt und tritt in verdichteter Form (Abluft) durch die Austrittsöffnung (D) aus. Aufgrund der guten Verdichtung erzeugen Pumpen ein sehr hohes Vakuum und haben je nach Typ ein relativ hohes Saugvermögen. Vorteile von Pumpen Hoher Unterdruck mit hohem Absaugvolumen Zentrale Erzeugung Typische Einsatzgebiete Als zentrale Erzeugung in Portal-Umsetzanlagen In manuellen Handhabungssystemen In Verpackungsmaschinen Funktionsprinzip Pumpe 34

17 Das System und seine Bauteile Es werden drei Grundtypen von Pumpen unterschieden: Trockenläufer-Pumpen Ölgeschmierte Pumpen Wasserring-Pumpen Universell einsetzbare Pumpe in wartungsarmer Ausführung Einsatz vorwiegend in großen Greif - systemen zur Handhabung luftdichter Werkstücke als zentrale Erzeugung Pumpe mit äußerst hohem Niveau (bis 95% Vakuum) Einsatz in Handhabungssystemen, bei denen auf Geräusch- und Wartungs - armut sowie hohen Unterdruck Wert gelegt wird; zur Handhabung luftdichter Werkstücke Pumpe in wartungsarmer Ausführung mit interner Wasserkühlung zur Handhabung luftdichter Werkstücke Einsatz speziell in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Umgebungsluft (z. B. Verpackungsaufgaben im Lebensmittelbereich) Gebläse Die Schaufeln (A) transportieren, beschleunigen und verdichten die Luft nach dem Impulsprinzip. Die Luft wird hierbei durch die Schaufeln mitgerissen. Auf der Saugseite (B) wird so ein Unterdruck (Vakuum) erzeugt. Die verdichtete Luft (Abluft) tritt durch die Austrittsöffnung (C) aus. Durch ein großes Luftkanalvolumen und speziell ausgeformte Schaufeln liefern Gebläse ein sehr hohes Saugvermögen. Vorteile von Gebläsen Enormes Saugvermögen Hohe Leckage-Kompensation Absaugen großer Volumina in sehr kurzer Zeit Typische Einsatzgebiete Handhabung von porösen Werkstücken wie Kartons, Dämmungsmaterial, Spanplatten oder Säcken Funktionsprinzip Gebläse 35

18 Das System und seine Bauteile Es werden zwei Grundtypen von Gebläsen unterschieden: Gebläse Gebläse mit Reversierung Befestigungselemen te Gebläse in direktgetriebener und frequenzgeregelter Ausführung Einsatz speziell zur Handhabung poröser Werkstücke (Spanplatten, Säcke, etc.) Frequenzgeregelte Gebläse können durch Regulierung der Motordrehzahl bzw. des Saugvermögens kundenspezifisch abgestimmt werden Gebläse mit elektropneumatischer Reversierung zur Steuerung von Saugen, Blasen und Neutralstellung Einsatz bei der Handhabung von luftdurchlässigen Werkstücken, die schnell angesaugt und abgelegt werden Einheiten Einheiten sind Komplettlösungen mit Ejektor, und Regelung. Die Einheit wird als rein pneumatisch betriebene Versorgung mit interner Regelung verwendet. Dank der pneumatischen Regelung schaltet sich die Einheit selbstständig ab, wenn angesaugt wurde und der eingestellte Wert erreicht ist. Vorteile von Einheiten Universelle Einsatzmöglichkeiten Hohes Saugvermögen Minimaler Druckluftverbrauch Typische Einsatzgebiete Stand-Alone-Lösung zum Beispiel für Spann- und Handhabungsaufgaben 36

19 Das System und seine Bauteile Ventile dienen der Steuerung des Vakuums sowie der Druckluft. Damit erhöhen sie die Prozesssicherheit in n. Grundsätzlich werden folgende Funktionsprinzipien unterschieden: Elektromagnetventile für Vakuum und Druckluft Strömungsventile und -widerstände; Tastventile Manuelle und Druckluftventile Elektromagnetventile Elektromagnetventile werden zur Steuerung von Druckluft bzw. Vakuum eingesetzt. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt über elektrische Schaltsignale. Elektromagnetventile sind in unterschied - lichen Nenngrößen erhältlich und können so direkt auf die kundenspezifische Anwendung abgestimmt werden. Sie sind sowohl direkt gesteuert als auch pneumatisch vorgesteuert verfügbar. 37

20 Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te Strömungsventile und -widerstände; Tastventile Strömungsventile und -widerstände sowie Tastventile erhöhen die Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit in einem System. Strömungsventile unterbrechen den Durchfluss selbständig sobald ein bestimmter Volumenstrom erreicht ist. Dadurch werden nicht vollständig belegte im Greifsystem abgeschaltet, damit das Systemvakuum erhalten bleibt. Strömungswiderstände reduzieren den Durchflussquerschnitt im System und werden hauptsächlich in n zur Handhabung poröser Werkstücke eingesetzt. Durch die Reduzierung des Durchflussquerschnitts bleibt das Systemvakuum auch bei nicht belegten n erhalten. Tastventile öffnen über einen gefederten Stößel den Saugkanal, wenn am ein Werkstück anliegt. Bei - belegung (= anliegendem Werkstück) wird die Leitung für das Vakuum frei gegeben. Tastventile sichern das System nicht gegen teilbelegte ab. Rückschlagventile Bei Abfall zum Beispiel durch Energieausfall dichtet das Rückschlagventil das System gegen Leckagen ab. Angesaugte Werkstücke fallen so nicht vom Greifsystem ab. Handventile Handventile werden insbesondere für manuelles Zu- und Abschalten von oder Druckluftkreisen oder von einzelnen n in Hebeeinrichtungen verwendet. Die Ventile sind als 2/2-Wege- oder als 3/2-Wege-Ventile erhältlich. 38

21 Das System und seine Bauteile Systemüberwachung Für den sicheren Betrieb eines Systems sind Einrichtungen zur Systemüberwachung entscheidend. Schmalz bietet dazu sowohl Mess- als auch Steuerungskomponenten. Grundsätzlich werden folgende Komponenten zur Systemüberwachung und -steuerung unterschieden: Schalter Druckschalter Kombinierte / Druckschalter Anschlusskabel und Adapter für Schalter Mess- und Regelgeräte Warneinrichtungen Komponenten zur Systemüberwachung werden in allen Bereichen der automatisierten Handhabung eingesetzt, so z. B. in Feeder - systemen der Automobilindustrie, in der Kunststoffindustrie sowie in anderen Anwendungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit. Schalter Schalter gibt es in mechanischer und elektronischer Ausführung. Bei der mechanischen Ausführung wird das vorhandene Vakuum über eine Membran gemessen und ein Mikroschalter (elektromechanische Ausführung) bzw. ein Ventil (pneumatische Ausführung) betätigt. Bei der elektronischen Ausführung wird das Vakuum über einen piezoresistiven Sensor gemessen und ein Schaltsignal (analog oder digital) ausgegeben. 39

22 Das System und seine Bauteile Befestigungselemen te Schalter werden im Messbereich von -1 bis 0 bar eingesetzt. Grundsätzlich gibt es folgende Arten von Schaltern: Mechanische Schalter VS-V-PM und VS-V-EM-ST Mechanische Schalter zeichnen sich durch ihren robusten Aufbau und die universelle Arbeitsweise aus. So kann mit der elektromechanischen Ausführung (EM) Gleich- und Wechselspannung geschaltet werden. Bei der pneumatischen Ausführung (PM) dagegen sind keine elektrischen Anschlüsse erforderlich. Die Arbeitsweise ist rein pneumatisch. Um diese Schalter individuell an die Prozessparameter anzupassen, sind die Schaltpunkte einstellbar (bei fest eingestellter Hysterese). Elektronische Schalter Elektronische Schalter haben eine hohe Schalt- und Wiederholgenauigkeit bei kompakter Bauweise. So haben Schalter mit digitalem Display (Ausführung VS-V-D- und VS-V-W-D- ) einen hohen Bedienkomfort, da Schaltpunkte und Hysterese über eine Folientastatur frei programmierbar sind. Um im Prozess den Schaltpunkt möglichst schnell und einfach zu programmieren, eignen sich Schalter mit Teachbutton (Ausführung VS-V-AH/AV-T). Bei dieser Ausführung können die Schaltpunkte mittels einer Taste in wenigen Sekunden programmiert werden. Schalter mit Analog- und Digitalausgang (Ausführungen VS-V und VS-V-A- ) und Schalter im Miniaturformat (VS-V-SA/SD) runden das Programm ab. Druckschalter Die elektronischen Druckschalter werden im Messbereich von 0 bis 10 bar eingesetzt. Druckschalter mit digitalem Display (VS-P10-D/ VS-P10-W-D) zeichnen sich durch einen hohen Bedienkomfort aus. Die Schaltpunkte und Hysterese sind über eine Folientastatur frei programmierbar. Sie werden bei hohen Anforderungen an Schalt- und Wiederholgenauigkeit sowie zur Realisierung von schnellen Schaltzeiten eingesetzt. Druckschalter mit Teachbutton (VS-P10AH/AV-T-PNP(-S)) eignen sich besonders, um Schaltpunkte im Prozess möglichst schnell und einfach zu programmieren. Druckschalter mit Analog- und Digitalausgang (Ausführung VS-P1) können dank der beiden Ausgänge auch als Drucksensor eingesetzt werden. Kombinierte /Druckschalter Kombinierte Druckschalter (VS-P) werden im Messbereich von -1 bis 10 bar eingesetzt. Durch den großen Messbereich reduziert sich die Schaltgenauigkeit. Sie sind mit zwei Schaltausgängen (digital und analog) verfügbar und können daher auch als Sensor bzw. Drucksensor eingesetzt werden. 40

23 Das System und seine Bauteile Anschlüsse und Adapter für Schalter Für die unterschiedlichen Schaltertypen sind passende elektrische Anschlusskabel und Adapter verfügbar. Die Kabel und Stecker werden an die kundenspezifischen Anforderungen und lokalen Standards angepasst. Mess- und Regelgeräte Regler sind mechanisch einstellbar. Sie garantieren eine präzise Einstellung mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit. Regler gleichen bauartbedingte Druckschwankungen von n aus. Druckminderer werden eingesetzt, um einen bestimmten Ausgangsdruck einzustellen, wenn der Druck auf der Eingangsseite (Eingangsdruck) höher ist als erforderlich. Manometer messen und zeigen das Vakuum analog an. Durch die genormten Abmessungen und Anschlüsse sind sie für alle vorkommenden Anwendungen einsetzbar. Warneinrichtungen Warneinrichtungen dienen zur und Warnung bei Abfall des Arbeitsvakuums und bei Stromausfall. Sie geben ein akustisches Warnsignal mit 100 db aus. Der Schaltpunkt ist von -1 bis 0 bar einstellbar und erlaubt flexiblen Einsatz bei unterschiedlichem Unterdruck. 41

24 Das System und seine Bauteile Filter und Befestigungselemen te Systeme werden durch den Einsatz von Filtern abgesichert. Die Filter schützen den vor Verunreinigung. und werden über Schläuche und miteinander verknüpft. Grundsätzlich bietet Schmalz folgende Produkte: Filter Verteiler Schläuche und Filter Zum Schutz des s oder des Ventils in staubigen Umgebungen werden Filter eingesetzt. Die Filter werden zwischen dem und dem oder dem Ventil im System eingebaut. Filter werden häufig als zentraler Filter im System eingebaut. Die Filter haben einen Abscheidungsgrad von nahezu 100%. Tassenfilter werden als dezentraler Filter direkt in der Leitung am eingebaut. Die Tassenfilter werden bei leichter bis mittlerer Verschmutzung eingesetzt. Inlinefilter werden als dezentraler Filter direkt in der Leitung am eingebaut. Die Inlinefilter werden bei geringen Durchflüssen und leichter Verschmutzung eingesetzt. 42

25 Das System und seine Bauteile Verteiler Die Verteiler können mit zentraler oder dezentraler Erzeugung eingesetzt werden. In Systemen mit dezentraler Erzeugung wird Druckluft über den Verteiler an die einzelnen Ejektoren verteilt. In Systemen mit zentraler Erzeugung wird Vakuum vom über den Verteiler an die einzelnen verteilt. Schläuche und Schmalz bietet alle Schläuche und, die zum Aufbau eines funktionsfähigen Systems nötig sind. Das Produktspektrum reicht vom Schlauch über Steckverschraubungen und Dichtringen bis hin zur Schlauchschelle. 43

26 Basiswissen und Grundbegriffe Vakuum Definition Vakuum Man spricht von Vakuum oder auch Unterdruck, sobald der Druck innerhalb eines geschlossenen Raumes geringer ist als der Umgebungsdruck. Der Umgebungsdruck beträgt auf Höhe des Meeresspiegels mbar und nimmt mit zunehmenden Höhenmetern ab. In der Technologie unterscheidet sich die Ausprägung des Vakuums je nach Anwendungsgebiet. Für die Handhabung ist ein relativ geringes Vakuum, das sogenannte Grobvakuum, ausreichend. Der Druckbereich des Grobvakuums reicht von 1 mbar bis mbar (Umgebungsdruck auf Meereshöhe). Befestigungselemen te Angabe als relativer Wert Im Bereich der Technik wird das Vakuum als Relativwert angegeben, d.h. der Unterdruck wird im Verhältnis zum Umgebungsdruck angegeben. Der Wert hat ein negatives Vorzeichen, weil der Umgebungsdruck als Bezugspunkt mit 0 mbar angegeben wird. Unterdruck / Vakuum Überdruck mbar Angabe als absoluter Wert In der schaft wird das Vakuum als Absolutwert angegeben. Als Bezugspunkt dient hier der absolute Nullpunkt, also der luftleere Raum (z. B. Weltall). Somit hat der Wert stets ein positives Vorzeichen. 0 absoluter Nullpunkt Umgebungsdruck mbar Die nachfolgende Tabelle zeigt Vergleichswerte zwischen Absolut- und Relativdruck. /Druck-Umrechnungstabelle Restdruck Relatives bar N/cm 2 kpa atm, kp/cm 2 mm H 2 O Torr; mm Hg in Hg absolut [mbar] Vakuum % -0,101-1,01-10,1-0, % -0,203-2,03-20,3-0, % -0,304-3,04-30,4-0, % -0,405-4,05-40,5-0, % -0,507-5,07-50,7-0, % -0,608-6,08-60,8-0, % -0,709-7,09-70,9-0, % -0,811-8,11-81,1-0, % -0,912-9,12-91,2-0, Am Ende dieses Kapitels stehen weitere Umrechnungs- und Einheitentabellen zur Verfügung. 44

27 Basiswissen und Grundbegriffe Vakuum Maßeinheiten für Angaben Von einer Vielzahl an Maßeinheiten für Druck haben sich in der Technik die Maßeinheiten Pascal [Pa], Kilo-pascal [kpa], Bar [bar] und Millibar [mbar] durchgesetzt. Die Umrechnung der Einheiten ist wie folgt: 0,001 bar = 0,1 kpa = 1 mbar = 100 Pa In diesem Katalog werden alle absoluten Werte zum Druck in bar oder mbar, alle relativen Werte in % angegeben. Die %-Angabe ist typisch für eine Relativ-Angabe der Leistungsfähigkeit eines s. International sind weitere Einheiten gebräuchlich. Einige davon stehen in folgender Tabelle. /Druck-Umrechnungstabelle bar N/cm 2 kpa atm, kp/cm 2 mm H 2 O Torr; mm Hg in Hg bar 1, , ,0000 1, ,00 750, ,5400 N/cm 2 0, , ,0000 0, ,70 75,0060 2,9540 kpa 0, , ,0000 0, ,97 7,5006 0,2954 atm, kp/cm 2 0, , ,0700 1, ,00 735, ,9700 mm H 2 O 0, , ,0100 0, ,00 0,0740 0,0030 Torr; mm Hg 0, , ,1333 0, ,60 1,0000 0,0394 in Hg 0, , ,8850 0, ,40 25,2500 1,0000 Am Ende dieses Kapitels stehen weitere Umrechnungs- und Einheitentabellen zur Verfügung. Energiebedarf für die Erzeugung Der Energiebedarf für die Erzeugung steigt überproportional zum erreichten Vakuum. Eine Erhöhung des Unterdrucks von -600 mbar auf -900 mbar bedeutet eine Kräftezunahme um den Faktor 1,5. Die Evakuierungszeit und der Energieaufwand steigen aber um den Faktor 3. Somit wird deutlich, dass nur das im Arbeitsbereich benötigte Vakuum erzeugt werden sollte, um den Energieaufwand und damit die Betriebskosten so gering wie möglich zu halten. Kraft Energie Vakuum [mbar] Gängige Arbeitsbereiche für dichte Oberflächen (z. B. Metall, Kunststoff etc.): -600 bis -800 mbar Vakuum für poröse Materialen (z. B. Kartonagen, Spanplatten, MDF-Platten etc.): -200 bis -400 mbar Vakuum; in diesem Bereich wird die erforderliche Haltekraft durch Erhöhung des Saugvermögens und durch Vergrößerung der Saugfläche erzeugt. Wichtig: In diesem Katalog werden die Haltekräfte der immer bei einem wirtschaftlichen Niveau von -600 mbar angegeben. 45

28 Basiswissen und Grundbegriffe Vakuum Atmosphäre und ihre Auswirkungen auf die Technik Der Luftdruck (Umgebungsdruck) ist abhängig von der Höhe, auf der man sich befindet sowie der dort herrschenden Temperatur. Wie im Schaubild dargestellt, herrscht auf Meereshöhe ein Luftdruck von mbar. In einer Höhe von 600 m (Standort der J. Schmalz GmbH in Glatten, Deutschland) verringert sich der Luftdruck auf 938 mbar. In einer Höhe von m beträgt der Luftdruck nur noch 763 mbar. Umgebungsdruck in Höhe (2.000 m) = 763 mbar Umgebungsdruck in Höhe (600 m) = 938 mbar Befestigungselemen te Dieser Druckverlust hat auch Auswirkungen auf das Arbeiten mit Vakuum. Durch den Druckabfall bei zunehmender Höhe verringert sich auch die maximal erreichbare Druckdifferenz und damit auch die maximal erreichbare Haltekraft. Pro 100 m Höhenzunahme sinkt der Luftdruck um ca. 12,5 mbar. Ein, der 80% Vakuum erzeugt, erzielt auf Meereshöhe (Umgebungsdruck = mbar) einen Wert von -810 mbar; in m Höhe (Umgebungsdruck = 763 mbar) erzielt der noch -610 mbar. Proportional zum erreichbaren Wert sinkt die mögliche Haltekraft eines s. Die Anwendung auf Meereshöhe stellt somit den Idealfall dar. Umgebungsdruck in Meereshöhe (0 m) = mbar Wichtig: Alle Angaben in diesem Katalog beziehen sich auf einen Umgebungsdruck von mbar und eine Umgebungstemperatur von 20 C. 46

29 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Vorgehensweise bei der Systemauslegung Die Umsetzung von der Theorie in die Praxis wird im Folgenden über eine Systemauslegung anhand eines Beispiels veranschaulicht. Eine hilfreiche Unterstützung bei der Systemauslegung bietet der Schmalz Calculator, der unter kostenlos heruntergeladen werden kann. Kräfteberechnung Schläuche Verteiler Erzeugung Ventile Schalter Ablaufschema für Systemauslegungen Die folgenden Berechnungen werden anhand dieses Anwendungsfalls durchgeführt: Werkstück Werkstoff: Stahlblech, auf Palette gestapelt Oberfläche: glatt, eben, trocken Abmessungen: Länge: max mm Breite: max mm Stärke: max. 2,5 mm Gewicht: ca. 60 kg Handhabungssystem Eingesetztes System: Portalumsetzer Vorhandene Druckluft: 8 bar Steuerspannung: 24 V DC Arbeitsablauf: Umsetzen horizontal-horizontal Ein Stahlblech wird von einer Palette aufgenommen, angehoben, horizontal transportiert und in einem Bearbeitungszentrum abgelegt. Max. Beschleunigung: X-, Y-Achse: 5 m/s 2 Z-Achse: 5 m/s 2 Taktzeit: 30 s Vorgesehene Zeit: zum Ansaugen: < 1s zum Ablegen: < 1s 47

30 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Gewichtsberechnung eines Werkstücks Um die folgenden Berechnungen durchführen zu können, ist es wichtig zu wissen, welche Masse m das Werkstück hat. Anhand der folgenden Formel kann diese berechnet werden: m = L x B x H x ρ m = Masse [kg] L = Länge [m] B = Breite [m] H= Höhe [m] ρ = Dichte [kg/m 3 ] Unser Beispiel: m = 2,5 m x 1,25 m x 0,0025 m x kg/m³ m = 61,33 kg Befestigungselemen te Theoretische Haltekraft eines s Die müssen neben dem Gewicht des Werkstücks auch die Beschleunigungskräfte aushalten, die auf das Werkstück wirken. Diese dürfen in einer vollautomatischen Anlage keinesfalls vernachlässigt werden. Zur Berechnung der theoretischen Haltekraft werden nachfolgend die drei wichtigsten und am häufigsten vorkommenden Lastfälle (Handhabungsabläufe) dargestellt und beschrieben. Wichtig: Bei den folgenden, vereinfachten Darstellungen der Lastfälle muss als Basis für die Berechnung der ungünstigste Lastfall mit der höchsten, theoretischen Haltekraft verwendet werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass der das Werkstück im gesamten Handhabungsvorgang sicher greift. Für den Sicherheitsfaktor wird ein Mindestwert von 1,5 für glatte und dichte Werkstücke angenommen. Bei kritischen inhomogenen, porösen oder rauen Werkstücken muss ein Sicherheitsfaktor von 2,0 oder höher angesetzt werden. Sind Faktoren wie Beschleunigung oder Reibkoeffizient unbekannt oder nicht exakt bestimmbar, sollte ebenfalls ein Wert von 2,0 oder höher angesetzt werden. Lastfall I horizontal, Kraftrichtung vertikal Das Werkstück (im vorliegenden Fall die Stahlplatte mit den Maßen 2,5 x 1,25 m) wird von einer Palette gehoben. Dabei wird das Werkstück mit einer Beschleunigung von 5 m/s² bewegt (keine Querbewegung). F TH = m x (g + a) x S F TH = theoretische Haltekraft [N] m = Masse [kg] g = Erdbeschleunigung [9,81 m/s 2 ] a = Beschleunigung [m/s 2 ] der Anlage S = Sicherheitsfaktor (Mindestwert 1,5-fache Sicherheit; bei kritischen, inhomogenen oder porösen Werkstoffen oder rauen Oberflächen 2,0 oder auch höher) Unser Beispiel: F TH = 61,33 kg x (9,81 m/s²+ 5 m/s²) x 1,5 F TH = N F TH F G Die setzen horizontal auf ein Werkstück auf, welches nach oben hin angehoben werden soll. 48

31 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Lastfall II horizontal, Kraftrichtung horizontal Das Werkstück (im vorliegenden Fall die Stahlplatte mit den Maßen 2,5 x 1,25 m) wird horizontal aufgenommen und horizontal transportiert. Die Beschleunigung liegt dabei bei 5 m/s². F TH = m x (g + a/µ) x S F TH = theoretische Haltekraft [N] F a = Beschleunigungskraft = m a m = Masse [kg] g = Erdbeschleunigung [9,81 m/s 2 ] a = Beschleunigung [m/s 2 ] der Anlage (Not-Aus-Situation beachten!) µ = Reibbeiwert = 0,1 für ölige Oberflächen = 0,2... 0,3 für nasse Oberflächen = 0,5 für Holz, Metall, Glas, Stein, = 0,6 für raue Oberflächen Achtung! Die angegebenen Reibbeiwerte sind gemittelte Werte und müssen für die jeweiligen Werkstücke überprüft werden! S = Sicherheit (Mindestwert 1,5-fache Sicherheit; bei kritischen, inhomo genen oder porösen Werkstoffen oder rauen Oberflächen 2,0 oder auch höher) Unser Beispiel: F TH = 61,33 kg x (9,81 m/s m/s 2 /0,5) x 1,5 F TH = N F G F TH F a Die setzen horizontal auf ein Werkstück auf, welches seitlich bewegt werden soll. Lastfall III vertikal, Kraftrichtung vertikal Beschreibung des Lastfalls: Das Werkstück (im vorliegenden Fall die Stahlplatte mit den Maßen 2,5 x 1,25 m) wird von einer Palette genommen und über eine Drehbewegung mit einer Beschleunigung von 5 m/s² umgesetzt. F TH = (m/µ) x (g + a) x S F TH = theoretische Haltekraft [N] m = Masse [kg] g = Erdbeschleunigung [9,81 m/s 2 ] a = Beschleunigung [m/s 2 ] der Anlage (Not-Aus-Situation beachten!) µ = Reibbeiwert = 0,1 für ölige Oberflächen = 0,2... 0,3 für nasse Oberflächen = 0,5 für Holz, Metall, Glas, Stein, = 0,6 für raue Oberflächen S = Sicherheit (Mindestwert 2,0-fache Sicherheit; bei kritischen, inhomogenen oder porösen Werkstoffen oder rauen Oberflächen auch höher) F TH Unser Beispiel: F TH = (61,33 kg / 0,5) x (9,81 m/s m/s 2 ) x 2 F TH = N F G Vergleich: Laut Aufgabenstellung wird das Werkstück von einer Palette gehoben, seitlich bewegt und auf einem Bearbeitungszentrum abgesetzt. Die Drehbewegung aus dem Lastfall III ist in der Anwendung nicht vorgesehen. Für das Beispiel muss daher lediglich das Ergebnis aus dem Lastfall II berücksichtigt werden. Damit ergibt sich für den vorliegenden Fall eine maximale theoretische Haltekraft (F TH ) von N. Diese theoretische Haltekraft wirkt auf den beim horizontalen Transport des Werkstücks. Um die Aufgabenstellung sicher lösen zu können, basieren die folgenden Berechnungen auf diesem Wert. 49

32 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Befestigungselemen te Auswahl der Die errechnete theoretische Haltekraft entspricht der Kraft, die die mindestens aufbringen müssen, damit das Werkstück sicher gehandhabt werden kann. Um die passenden auszuwählen, müssen aber auch die Umgebungsbedingungen und das Einsatzgebiet aus der Anwendung berücksichtig werden. Die Auswahl der erfolgt üblicherweise entsprechend folgender Kriterien: Einsatz: Wesentlich für die Auswahl der sind die Einsatzbedingungen vor Ort: Mehrschichtbetrieb, Lebenserwartung, chemisch-aggressive Umgebung, Temperatur etc. Werkstoff: Entsprechend der Anforderungen stehen aus unterschiedlichen Materialen zur Verfügung, zum Beispiel mit besonderer Eignung für glatte oder raue Oberflächen, ölige oder besonders empfindliche Werkstücke, antistatische für Elektronik-Bauteile, abdruckarme für empfindliche Kunststoffteile etc. Die Auswahl des geeigneten - Materials für die Handhabung der Werkstücke ist in der ausführ - lichen Tabelle im Kapitel beschrieben. Oberfläche: Je nach Beschaffenheit der Oberfläche empfehlen sich spezifische Bauformen der. Zur Auswahl stehen prinzipiell Flach- oder Balgsauggreifer mit den unterschiedlichsten Dichtlippen und Dichtkanten sowie verschiedene Bauformen und Geometrien. Einen Überblick über die verschiedenen sowie die genauen Vorteile der einzelnen -Typen gibt das Kapitel. Wir entscheiden uns für: Flachsauggreifer vom Typ PFYN aus Perbunan NBR Dieser ist eine kostengünstige Lösung für die Handhabung von glatten, ebenen Werkstücken. Daten für diesen Typ stehen auf den entsprechenden Seiten im Kapitel zur Verfügung. Für die Lösung der gestellten Handhabungsaufgabe kann die errechnete theoretische Haltekraft von einem einzelnen aufgebracht werden oder auf mehrere aufgeteilt werden. Wie viele eingesetzt werden, ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall. Für das Stahlblech im Mittelformat (2.500 x mm) aus dem vorliegenden Fall werden üblicherweise sechs oder acht verwendet. Das wesentliche Kriterium für die Anzahl der ist in diesem Beispiel die Durchbiegung beim Transport. Abhängig von der eingesetzten Anzahl an n verändert sich auch deren notwendiger Durchmesser. Berechnung der Saugkraft F S [N] F S = F TH /n F S = Saugkraft F TH = Theoretische Haltekraft n = Anzahl Unser Beispiel: F S = N/6 F S = 304 N Laut der technischen Daten für den PFYN sind 6 x PFYN 95 NBR mit einem Durchmesser von 95 mm und einer Saugkraft von je 350 N notwendig. F S = N/8 F S = 228 N Laut der technischen Daten für den PFYN sind 8 x PFYN 80 NBR mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Saugkraft von je 260 N notwendig. Wir entscheiden uns für: Sechs vom Typ PFYN 95 NBR Bei einer Blechstärke von 2,5 mm ist mit 6 n eine ausreichend stabile Blechaufnahme gewährleistet. Wichtig: Die Saugkraft der einzelnen ist in der Tabelle Technische Daten der jeweiligen im Kapitel aufgeführt. Die Saugkraft des s muss über der errechneten theoretischen Haltekraft liegen. 50

33 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Auswahl der Üblicherweise wird die Befestigung der nach Kundenwunsch ausgewählt. Es gibt aber auch zwingende Gründe für eine bestimmte Aufnahmeart: Unebene oder schräge Oberflächen Der muss sich in der Neigung anpassen können: > gelenkige Aufnahme Unterschiedliche Höhen/Stärken Um die Höhentoleranzen auszugleichen, wird eine gefederte Aufnahme benötigt: > Federstößel Im vorliegenden Fall sind die Stahlbleche auf einer Palette gestapelt. Sofern die Blechtafeln größer sind als die Palette, ist damit zu rechnen, dass die Enden der Bleche herunterhängen. Die müssen also größere Höhentoleranzen und Neigungen ausgleichen können. Wir entscheiden uns für: Gelenk Flexolink FLK 1/4 1/4 IG Optimale Gelenkigkeit der für schräg stehende Werkstück-Oberflächen. Federstößel FSTE 1/4 75 Hub Größtmöglicher Hub wegen der von der Palette herabhängenden Bleche, 1/4 -Gewinde zur Anbindung an die ausgewählte gelenkige Aufnahme Flexolink FLK. Hinweis: Bei der Auswahl der ist immer darauf zu achten, dass diese auf die geschraubt werden können, das heißt dass die Gewinde zueinander passen. Somit ist gleichzeitig die Einhaltung der Tragfähigkeiten gewährleistet. Die verschiedenen Befestigungsmöglichkeiten und technischen Daten sind im Kapitel verfügbar. Auswahl der Schläuche Die Schläuche werden passend zur Höhe der Volumenströme sowie der Größe der ausgewählt. Eine Empfehlung für den Schlauchquerschnitt beinhaltet die Tabelle Technische Daten auf der entsprechenden Seite des Saug - greifers und des Ejektors. Die unterschiedlichen Schläuche sind im Kapitel Filter und aufgeführt. Wir entscheiden uns für: Schlauch VSL 8/6 mit Innendurchmesser 6 mm Siehe Tabelle Technische Daten bei den im vorliegenden Fall verwendeten n vom Typ PFYN 95 NBR 51

34 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Befestigungselemen te Auswahl der Verteiler Der Verteiler richtet sich nach dem verwendeten Schlauch-Durchmesser und nach der Anzahl der. Beispiel: Der Schlauch VSL 8/6 hat einen Außendurchmesser von 8 mm und einen Innendurchmesser von 6 mm. Es werden sechs verwendet. Wir entscheiden uns für folgende Bauteile: Steckverschraubungen STV-GE G1/4-AG 8 für den aus - gewählten Schlauch VSL 8/6 mit Außendurchmesser 8 mm und Innendurchmesser 6 mm sowie Gewinde 1/4 passend zum Innengewinde des Verteilers. Steckverschraubung STV-GE G3/8-AG 8 passend zum Federstößel. Verteiler VTR G3/8-IG 9xG1/4 mit einem Eingang (Gewinde 3/8 ) und neun Ausgängen (Gewinde 1/4 ). Drei Verschlussschrauben VRS-SB G1/4-AG, um die drei offenen Abgänge zu verschließen. Auswahl der Die Auswahl des passenden s (Ejektor, Pumpe oder Gebläse) wird durch mehrere Faktoren bestimmt: Art der Werkstücke: porös, saugdicht Mögliche Energieversorgung: Strom, Druckluft Restriktionen für Baugröße und Gewicht Einhaltung von Zykluszeiten Schnelle Zykluszeiten: Ejektor Lange Transportwege: Pumpe oder Gebläse Auswahltabelle Anwendungsfall/Bauart Werkstoff Taktzeiten Vorh. Energie Transportwege dicht porös sehr schnell Druck- Strom kurz lang schnell luft <0,5sec >0,5sec Ejektor X X X X (X)* Pumpe X X X X Gebläse X X X X *Nur mit Luftsparautomatik und bei dichten Werkstoffen Wir entscheiden uns für: Ejektor zum Einsatz als Erzeugung Da es sich im vorliegenden Fall um ein saugdichtes Werkstück handelt, ist mit einem Ejektor ein einfacher und leichter Aufbau möglich, gleichzeitig sind kurze Ansaug- und Ablegezeiten realisierbar. 52

35 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Saugvermögen des s Aus dem Durchmesser des s ergibt sich das Saugvermögen, das ein aufbringen muss, um den zu evakuieren. Das entsprechende Saugvermögen ist in der Tabelle Technische Daten der jeweiligen beschrieben. Aufgrund von Erfahrungs- und Messwerten bei Systemauslegungen empfehlen wir die Auswahl anhand folgender Tabelle: Saugvermögen in Abhängigkeit vom -Durchmesser Ø Saugvermögen V S bis 60 mm 0,5 m 3 /h 8,3 l/min bis 120 mm 1,0 m 3 /h 16,6 l/min bis 215 mm 2,0 m 3 /h 33,3 l/min bis 450 mm 4,0 m 3 /h 66,6 l/min Hinweis: Die angegebenen Werte gelten unabhängig von der Art der Erzeugung. Das empfohlene Saugvermögen gilt pro und nur bei glatten, saugdichten Oberflächen. Bei porösen, luftdurchlässigen Werkstücken ist vorab ein entsprechender Saugversuch mit den Originalwerkstücken durchzuführen. Berechnung des Saugvermögens V [m 3 /h, l/min], das der aufbringen muss V = n x V S n V S = Anzahl = Erforderliches Saugvermögen für einen einzelnen [m 3 /h, l/min] Unser Beispiel: V = 6 x 16,6 l/min V = 99,6 l/min Wir entscheiden uns für: Kompaktejektor SCPi 20 mit einem Saugvermögen von 140 l/min. Der Kompaktejektor verfügt sowohl über die Ventile zur Steuerung der Funktionen Saugen und Abblasen sowie die Systemüberwachung zur Sicherstellung der Prozesssicherheit im Handhabungsvorgang. Darüber hinaus ist der Kompaktejektor SCPi mit der IO-Link Technologie ausgestattet. Sie macht die vielfältigen Diagnosefunktionen auf der Steuerungsebene sicht- und nutzbar. Das erhöht die Anlagenverfügbarkeit und macht Automatisierungsprozesse noch leistungsfähiger. Auswahl der In vorliegenden Fall wird ein Kompaktejektor mit integrierter eingesetzt. In anderen Fällen werden Elektro - magnetventile benötigt, um die Funktion Vakuum Ein/Aus zu schalten. In der Regel kommen sie zum Einsatz, wenn als Pumpen oder Gebläse verwendet werden. Die Auswahl der Ventile erfolgt nach den Kriterien: Saugvermögen des s Steuerspannung Arbeitsweise des Ventils (NO/NC) Grundsätzlich darf der Nenndurchfluss des Magnetventils nicht kleiner sein als das Saugvermögen des s. 53

36 Systemauslegung Berechnungsbeispiel Berechnung der Nenngröße des Ventils V V = V VE V V = Nenndurchfluss des Ventils [m 3 /h, l/min] V VE = Vorhandenes Saugvermögen des s [m 3 /h, l/min] Der Nenndurchfluss ist in den Technischen Daten des jeweiligen Ventils und das Saugvermögen in den Technischen Daten des jeweiligen s aufgeführt. Unser Beispiel: V V = 116 l/min = 7 m 3 /h Befestigungselemen te Wir entscheiden uns für: Der eingesetzte Kompaktejektor vom Typ SCPi 20 ist mit Magnetventilen ausgestattet, somit sind keine separaten Ventile notwendig. Alternativ wäre ein Magnetventil vom Typ EMV-10 mit einem Nenndurchfluss von 20 m 3 /h für die Funktion Saugen EIN/AUS ausreichend. Auswahl der Schalter Manometer werden üblicherweise nach den bestehenden Anforderungen an Funktionalität und Schalthäufigkeit ausgewählt. Folgende Funktionen sind möglich: Schaltpunkt einstellbar Hysterese fix oder einstellbar Signalausgabe digital und/oder analog Funktions-LED Display-Anzeige mit Eingabetastatur Anschluss M5-IG, M8-AG, Flansch oder Steckrohr Versorgungs- und Signalanschluss mit Kabel oder M8-Stecker Die möglichen Varianten mit den entsprechenden technischen Daten sind im Kapitel Systemüberwachung erläutert. Wir entscheiden uns für: Der eingesetzte Kompaktejektor vom Typ SCPi 20 verfügt über eine integrierte Systemüberwachung (digitale Ausgangssignale). Daher wird kein zusätzlicher Schalter benötigt. Bei n ohne Systemüberwachung können Schalter oder Manometer eingesetzt werden. 54