Industrieroboter

Ein Industrieroboter ist ein computergesteuerter Bewegungsautomat der in der Industrie zur Herstellung, Bearbeitung und Logistik eingesetzt wird. Sie gehören zur Kategorie der Automatisierungstechnologie und können vielseitig zur Arbeitserleichterung mit hoher Wiederholgenauigkeit eingesetzt werden. Entweder durch Programmierung oder Sensorsteuerung kann der Roboter nach einmaligem Anlernen seine Aufgabe selbständig und bis auf Wartungsarbeiten ununterbrochen ausführen. Ausgestattet mit verschiedenen Effektoren besteht er hauptsächlich weiter aus einem Manipulator und der Steuerung. Nach europäischer Norm EN 775 ist ein Roboter ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird. Eine allgemeinere Beschreibung der Begriffe und Definitionen rund um Roboter und Robotikgeräte im industriellen und nicht-industriellen Umfeld findet man in der ISO-Norm 8373.

Hauptartikel: Roboter

Typen und Bauformen

Die meisten Hersteller bieten ihre Roboter in einer Grundausführung an die dann je nach Kundenanforderungen mit Effektoren bestückt und gegebenenfalls weiter angepasst werden. Eine sinnvolle Unterteilung der Bauformen von Industrierobotern, kann anhand ihrer Kinematik unternommen werden. Demnach gibt es:

Parallele Kinematik

• Delta-Roboter:
  
  Der Delta-Roboter ist benannt nach seiner Ähnlichkeit mit dem griechischem Buchstaben. Aufgrund ihres geringen Gewichtes und ihrer Schnelligkeit werden sie oft in der Verpackungsindustrie und im Bereich des High-Speed eingesetzt. Die drei Manipulatoren hängen meist von der Decke ab und bilden eine geschlossene kinematische Kette. Dabei werden sind sie oft an einem Ende der Manipulatoren an einem Mehrfachgelenk verbunden. Das Zusammenspiel der mindestens 3 Arme, die durch pneumatische oder hydraulische Zylinder verlängert oder verkürzt werden, ermöglicht eine translatorische Bewegung. Um beispielsweise eine Bewegung der Z-Achse zu realisieren werden alle drei Zylinder gleichmäßig aus- oder eingefahren.
• Hexapod-Roboter: Der Hexapod, ebenfalls vom griechischem Wort für Sechsfüßer, stellt eine besondere Bauform des Delta-Roboters dar. Wie der Name bereits impliziert besitzt er 6 Manipulatoren die mit Gelenken auf einer Ebene verbunden sind. In der industriellen Robotik sind hexapode Antriebe jedoch noch wenig verbreitet, denn trotz ihrer Vorteile stehen sie in mehrfacher Hinsicht Robotern mit serieller Kinematik nach. In der Forschung, Simulationstechnik und der Medizin gibt es durchaus angebrachte Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel zur Ausrichtung von Teleskopen.

Serielle Kinematik

• Gelenkarmroboter:
  
  Der Gelenkarmroboter ist der am häufigsten eingesetzte Typus der Industrieroboter und wohl auch der welcher am ehesten mit ihnen in Verbindung gebracht wird. Mit bis zu 6 Freiheitsgraden besitzt er eine enorme Flexibilität und kann je nach Anzahl und Anordnung der Manipulatoren und Gelenke nahezu jede translatorische und rotatorische Bewegung realisieren. Der Roboterarm ist mit einem Schulter- und einem Ellbogengelenk ausgestattet, was häufig zu der Bezeichnung Knickarmroboter führt. Die Systeme sind in der Regel auf einer Drehachse montiert und ermöglichen dadurch eine Rotation um die Z-Achse. Der Arbeitsraum des Gelenkarmroboters ist somit näherungsweise kugelförmig. Mit seinen 6 Freiheitsgraden haben diese Systeme eine hohe Beweglichkeit und können z.B. Hindernisse umgreifen.Zusätzlich können sie wesentlich höhere Lasten heben als Roboter mit paralleler Kinematik.
• SCARA-Roboter/ Horizontaler Kickarmroboter: Der SCARA-Roboter (von Selective Compilance Assembley Robot Arm, oder auch Säulenroboter genannt) besitzt 2 bis 4 Drehachsen in vertikaler Richtung und eine Linearachse, ebenfalls in vertikaler Richtung. In dieser Grundkonfiguration verfügt er über 4 Freiheitsgarde. Diese Roboterbauform kann eine hohe Bewegungsdynamik und Positioniergenauigkeit realisieren. Die Einsatzgebierte sind Montage-, Füge- und Handhabungsaufgaben (Pick-and-Place Anwendungen). Die Andwendungsgebiete sind durch die Form des Arbeitsraumes beschränkt.
• Portalroboter:
  
  Portalroboter sind in der Grundkonzeption auf lineare Bewegungen im kartesischen Koordinatensystem beschränkt. Ergänzende rotatorische Bewegungen können durch Drehachsen oder Schwenkachsen im Greifer realisiert werden. Diese Systeme ermöglichen die Realisierung großer Arbeitsräume und das Handling hoher Traglasten. Die am häufigsten anzutreffende Ausführung ist das Linearportal, bei dem sich der Roboter auf einer Ebene bewegt. Die auf die X und Y-Achse beschränkte Translation gilt auch für Systeme die durch Effektoren wie beispielsweise Seilwinden eine Bewegung auf der Z-Achse realisieren können, da sich der Freiheitsgrad auf die Manipulatoren bezieht.

Kollaborierende Roboter

Eine weitere Einteilung ist möglich in Kollaborierende Roboter. Damit gemeint ist die Fähigkeit des Roboters gemeint mit Menschen zusammen zu arbeiten, ohne dabei begrenzende Sicherheitsmaßnahmen wie Zäune zu verwenden. Auch in diesem Zusammenhang interessant ist das sogenannte Teaching bei dem ein menschlicher Mitarbeiter den Roboter anlernt ohne Neuprogrammierung des Systemes. Dies kann zum Beispiel den Einsatz in der Montage, auch in Hinblick auf die Industrie 4.0, um einiges einfacher gestalten. Der Facharbeiter in der Fertigung kann den Roboter für neue Aufgaben vorbereiten ohne dass ein Informatiker oder Programmierer hinzugezogen werden. Da der Facharbeiter auch über das nötige Fachwissen verfügt, das für die Montage erforderlich ist, muss nicht erst der Programmierer über dieses unterrichtet werden. Auch für die Arbeitsmoral ist die Einbeziehung in den technischen Fortschritt von Vorteil, da der Eindruck Roboter ergänzen die menschliche Arbeitskraft gefördert und nicht dass Roboter den Menschen ersetzten. Die DIN EN ISO 15066 umfasst eine Definition für solche Systeme.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Industrieroboter ist grundsätzlich stets nach demselben Schema bzw. derselben Struktur aufgebaut. In der ISO-Norm 9949 ist die Darstellung charakteristischer Eigenschaften definiert. Wichtige Elemente hierbei sind:

• Der Antrieb: Durch den Antrieb werden die Glieder der kinematischen Kette bewegt. Er besteht aus einer Regelung, einem Getriebe und einem Motor. Die Kraftübertragung des Antriebes erfolgt in den meisten Fällen pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch. Eine mechanische Übertragung ist nicht oft anzufinden. Bei nicht stationären Robotern treibt der Antrieb zusätzlich noch ein Fahrwerk an. Dieses ist in der Basis des Roboters integriert und ermöglicht die Arbeit in flexiblen Fertigungsstraßen in denen der Fertigungsfluss angepasst werden kann.
• Die Steuerung: Die Steuerung überwacht die Aktionen des Industrieroboters und gibt entsprechende Bewegungen vor. Damit die Steuerung wunschgemäß funktionieren kann, muss sie zunächst entsprechend programmiert werden.
• Interne Sensorik: Die interne Sensorik liefert der Steuerung der Daten on board. Die Steuerung ist somit immer über die Position und Ausrichtung des Roboters informiert. Durch diese Informationen ist eine präzise Steuerung erst möglich, denn ohne den Ist-Wert könnte die Steuerung keinen Abgleich zu Soll-Werten vornehmen und den Manipulator, sowie den Effektor nicht in die gewünschte Stellung bringen. Auch über den allgemeinen Betriebszustand wie zum Beispiel die Motordrehzahl, die Temperatur der Betriebsstoffe oder den Ladezustand der Batterie gibt die interne Sensorik Auskunft. Zu internen Sensoren zählen unter anderem Stellungssensoren, Potentiometer und Temperatursensoren.
• Externe Sensorik: Die externe Sensorik gibt dem Industrieroboter Rückmeldungen über seine Umwelt. Hiermit wird eine flexible Reaktion des Roboters auf ungeplante Veränderungen ermöglicht. Zu externen Sensoren zählen beispielsweise Bildverarbeitungssysteme, Lichtschrankenfunktionen oder Ultraschallsensoren. Dies trägt einen großen Beitrag zur Arbeitssicherheit bei, um kooperatives Arbeiten von Robotern und Menschen ohne räumliche Trennung zu ermöglichen. Ebenfalls dient sie zur Erfassung und Lokalisierung von Werkstücken.
• Effektor: Als Effektor bezeichnet man das Werkzeug des Roboters. Dabei kann es sich um ein Greif-, ein Bearbeitungs- oder ein Montagewerkzeug handeln. Greifwerkzeuge stellen form- oder kraftschlüssig eine Verbindung des Roboters zum Werkstück her um logistische Tätigkeiten durchzuführen. Eine Beschreibung von Eigenschaften für eine Zuordnung solcher findet sich in der ISO-Norm 14539. Bearbeitungswerkzeuge können sehr vielseitig ausgeprägt sein. Sie bearbeiten das Werkstück durch zum Beispiel Zerspahnung, thermisches Fügen oder Trennen und Umformung. Montagewerkzeuge verbinden Bauteile und Komponenten meist durch das Herstellen lösbarer Verbindungen wie mit Schrauben oder Nieten. Dabei werden oft zusätzlich noch Greifwerkzeuge zum Einsatz gebracht, um die Bauteile bei der Montage zu positionieren.
• Manipulator: Der Manipulator, auch als Roboterarm bezeichnet, führt die Bewegung der Effektoren im Raum durch. Mit translatorischen und rotatorischen Bewegungen können moderne Industrieroboter nahe zu jede Position erreichen und machen damit das Arbeiten an schwierig zu erreichenden Stellen wesentlich leichter.
• Kinematik: Die Kinematik kann eine räumliche Zuordnung zwischen Fertigungseinrichtung und Werkzeug bzw. Werkstück schaffen. Damit jeder Raumpunkt erreicht werden kann, sind üblicherweise drei Freiheitsgrade erforderlich, was wiederum mindestens drei Bewegungsachsen notwendig macht. Die verschiedenen Koordinationssysteme sind im Hauptartikel Roboter näher beschrieben.
• Werkzeugschnellwechselsysteme: Diese sind optionale Elemente an einem Industrieroboter, aufgelistet in der ISO-Norm 11593, mit denen ein flexibler Wechsel des Effektors möglich ist. Durch die Möglichkeit mehrere Werkzeuge mitzuführen können Kosten gespart und die Geschwindigkeit von Arbeitsprozessen optimiert werden. Beispielsweise kann ein Bauteil durch einen Greifer abgelegt und in einem zweiten Schritt weiterbearbeitet werden, ohne das ein zweiter Roboter zum Einsatz kommen muss. Allerdings machen solche Wechselsysteme nur bedingt Sinn, da bei einigen Effektoren zu viel Zusatzausstattung benötigt wird. Das schränkt die Einsatzmöglichkeit und Beweglichkeit durch ein hohes Eigengewicht und großen Platzbedarf ein.

Geschichte der Industrieroboter

Der Grundgedanke für die Robotik war für den Menschen gefährliche oder zu schwere Arbeiten maschinell durchzuführen. So entwickelte Raymond Goertz 1951 einen damals noch handgesteuerten Manipulator, um Brennstäbe in einem Atomreaktor zu tauschen. Obwohl dieser permanente menschliche Steuerung bedurfte, wurde so der Mitarbeiter vor Strahlung effektiv geschützt. Das erste offizielle Patent für einen programmierten Manipulator reichte Georg Deval 1954 ein. Nachdem er mit Joseph F. Engelberger einen Geldgeber fand konstruierte er den ersten Prototyp Namens Unimate. 1959 ging dann der erste Unimate bei General Motors in Betrieb zum Schweißen von Druckgussteilen. Nachdem die Geschäftsleitung das Potential erkannte, wurde der noch sehr simple Prototyp zwei Jahre später für die Produktionslinie bei GM freigegeben.

Aufgrund der hohen Verluste durch den 2. Weltkrieg herrschte in Japan ein großer Fachkräftemangel. 1967 setzte man daher dort verstärkt auf die Manipulatoren, um im Weltmarkt nicht der Konkurrenz zu unterliegen. Vorrangig in der Automobilindustrie kamen sie dabei zum Einsatz. Bis heute bietet die Automobilindustrie eines größten Einsatzgebiete für Roboter. In Deutschland begann man drei Jahre nach den Japanern die Roboter einzusetzen. Erstmals geschah dies bei Mercedes-Benz.

Eine kleine Revolution gelang der Firma Yaskawa im Jahr 1977 mit dem ersten Gelenkroboter. Mit der Bewegung um fünf Achsen war der Motoman L10 damals das Vorzeigemodell der Branche. Heutzutage sind Manipulatoren leistungsstärker und intelligenter denn je. Ob enorme Kräfte aufbringen, hochpräzise Vorgänge wiederholen oder autodidaktisch lernen. Für die neusten Generationen ist all das kein Problem. So kann beispielsweise der Tischtennisroboter von Omron Electronics mit 80 Rechnungen pro Sekunde die Flugbahn des Tischtennisballs berechnen und präzise zurückschlagen. Was wie Spielerei anmutet, ist modernste Technik die der künstlichen Intelligenz bloß ein Bild gibt. In Zukunft wird dadurch die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine immer enger verbunden.

Welche Vor- und Nachteile bringen Industrieroboter in der Praxis mit sich?

Ohne Frage ist die heutige industrielle Produktion ohne Roboter nur noch schwer vorstellbar. Diese Innovation bringt gewisse Vorzüge, aber auch Nachteile mit sich.

Vorteile

Körperlich anstrengende oder gefährliche Arbeiten müssen nicht mehr von Menschen übernommen werden, die bei diesen Arbeiten unter Umständen ihre Gesundheit riskieren. Ebenso können eintönige Arbeiten von Industrierobotern übernommen werden, die aufgrund ihrer Eintönigkeit bei einem menschlichen Arbeiter früher oder später zu einer erhöhten Fehlerquote führen würden.

Nachteile

Vorwiegend beschränken sich die Nachteile, die ein moderner Industrieroboter mit sich bringt, auf die Aspekte der Sicherheit.

Welche Gefahren gehen von Industrierobotern aus und welche Schutzmaßnahmen gibt es hierfür?

Die größte Gefahr, die für Menschen von Industrierobotern ausgeht, besteht in unvorhersehbaren und komplexen Bewegungsmustern sowie starken Beschleunigungen, bei denen zugleich enorme Kräfte wirken. So kann der Aufenthalt neben einem ungesicherten Industrieroboter im schlimmsten Fall schwere Verletzungen nach sich ziehen oder sogar zum Tod führen. Trotz aller Sensoren und einer intelligenten Programmierung kann ein Roboter nun mal nicht mit den Augen eines Menschen seine Umwelt wahrnehmen und entsprechende Gefahren für seine Mitmenschen erkennen, die von seinen Aktionen ausgehen.

Zu den ersten Schutzmaßnahmen zählt es daher in der Regel, den Bewegungsraum von Industrieroboter und Mensch mithilfe von Schutzgittern und gesicherten Schutztüren oder Lichtschranken zu trennen. Durch eine Unterbrechung der Lichtschranke oder ein Öffnen der Schutztür wird der Roboter sofort angehalten. Bei Arbeiten, in denen der Mensch zwangsläufig den Gefahrenbereich des Roboters betreten muss, muss er zunächst einen Zustimmtaster betätigen, mit dem Bewegungen des Roboters ausdrücklich erlaubt werden. Zugleich muss die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters auf ein sicheres Maß reduziert werden.

Vor der Inbetriebnahme eines Industrieroboters muss eine Gefahrenanalyse erfolgen. In dieser werden die Gefahren bestimmt, die vom Roboter für den Menschen ausgehen. Entsprechend wird hierfür eine passende Schutzeinrichtung ausgelegt.

Welche Hersteller von Industrierobotern gibt es?

Zu den bekanntesten deutschen Herstellern von Industrierobotern zählen die Dürr AG, roTeg AG, KUKA Roboter, Reis Robotics und b+m surface systems.

Innerhalb Europas gehören Universal Robots aus Dänemark, COMAU, DalMaschio und IRIS Srl aus Italien, igm Robotersysteme aus Österreich sowie Güdel, Sigpack Systems, Stäubli, VELTRU AG, Mabi-Robotic und ABB Robotics aus der Schweiz zu den bekanntesten Herstellern von Industrierobotern.

Weltweit zählen Motoman, Yaskawa Electric Corporation, Denso, Epson, FANUC, Hirata, Kawasaki Heavy Industries, Mitsubishi Electric, Nachi Robotic Systems, Nihon Densan Sankyō, OTC Daihen und Panasonic aus Japan sowie Adept Technology aus den USA zu den bekanntesten Herstellern von Industrieroboter.

Weiterführende Informationen auf IndustryArena.com

• Suche nach Industrieroboter in der IndustryArena
• Beispiele für Industrieroboter