Die Vorstellung, menschliche Tätigkeiten zu automatisieren, beschäftigt die Gelehrten bereits seit der Antike. Den Anfang machten Musikmaschinen wie die Wasserorgel, erfunden vom griechischen Erfindet Ktesibios im 3. Jahrhundert vor Christus. Heute ist die künstliche Intelligenz nicht mehr wegzudenken, Industrieroboter und kollaborierende Roboter werden immer häufiger eingesetzt, um dem Menschen wiederkehrende mechanische Arbeiten abzunehmen. Auf den folgenden Seiten können Sie sich ausführlich zum Thema Robotik in der Industrie informieren.
Integration von Robotersystemen in Fertigungsanlagen
Industrieroboter haben ihre Wurzeln in der Reaktortechnik, wo sie in radioaktiv gefährdeten Räumen eingesetzt wurden. Handgesteuerte Roboterarme wurden entwickelt, um Arbeiten an radioaktivem Material zu verrichten und dem Menschen eine schützende Distanz zu ermöglichen. Als Erfinder des Industrieroboters gilt George Devol, der 1954 ein Patent für einen programmierbaren Manipulator anmeldete. Bereits frühzeitig entdeckte die Automobilindustrie den Industrieroboter für sich. Devols Firma entwickelte das Modell "Unimate", das von General Motors ab 1961 eingesetzt wurde. In Deutschland tauchten hydraulische Industrieroboter ab 1970 in der Produktion bei Mercedes-Benz auf. Bereits Mitte der 70'er Jahre wurden Roboter mit Steuerung durch Mikroprozessoren gebaut, woran sich bis heute nichts geändert hat.
Gemäß VDI-Richtlinie 2860 ist ein Industrieroboter ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat, der über mehrere Achsen verfügt und deren Bewegungen bezüglich der Bewegungsfolge und Wege / Winkel frei programmierbar und teilweise sensorgeführt sind. Industrieroboter können mit Werkzeugen, Greifern und anderen Fertigungsmitteln ausgestattet werden und damit Aufgaben in der Produktion / Fertigung / Handhabung ausführen.
Nach der europäischen Norm EN 775 handelt es sich bei einem Roboter um ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares und viel einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystem eingesetzt wird.
Bei den seriellen Kinematikern sind die Achsen seriell angeordnet. Dazu zählen Knickarmroboter (auch Gelenkarmroboter genannt), Palettierroboter, Dual-Arm-Roboter, Portalroboter und Scara-Roboter. Zuden Parallelen Kinematiken (Achsen sind parallel angeordnet) gehören Delta- und Hexapod-Roboter.
Knickarmroboter verfügen über eine serielle Anordnung von Achsen und werden vor allem für flexible Arbeiten in der Industrie eingesetzt. In der Automobilbranche sind Knickarmroboter wegen ihrer vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten sehr verbreitet und gelten als Universalroboter. Sie sind mit drei rotierenden Hauptachsen ausgestattet, wodurch sie sich dreidimensional bewegen können. Die erste Achse sorgt für die Bewegung auf dem Roboterfuß, die anderen Achsen schließen sich an den jeweils vorhergehenden Gelenkarm an. Mittels einer Schiene kann zudem eine Liniearachse ergänzt werden, wodurch der Roboter in die Lage versetzt wird, mehrere von einander distanzierte Arbeitsplätze entlang der Produktionskette zu besetzen. Eine Montage am Boden ist nicht zwingend, die Schiene könnte auch an der Wand oder Decke montiert werden.
Knickarmroboter zeichnen sich durch ihre Flexibilität aus. Die verbreitetste Variante, der sechsachsige Knickarmroboter, erledigt bei Bedarf mehrere Arbeitsgänge in einem Fluss und existiert in unterschiedlichen Größen. Kleine Modelle mit einer Traglast von 3 Kilogramm und 50 Zentimeter Reichweite sind ebenso erhältlich wie große Modelle mit 1700 Kilogramm Traglast und über 4 Metern Reichweite. Beim fünfachsigen Knickarmroboter ist durch das Fehlen der 4. Achse keine Drehung des Oberarms möglich. Dafür erreicht diese Variante kürzere Taktzeiten. Beim siebenachsigen Knickarmroboter wurde dem sechsachsigen Modell zwischen der zweiten und dritten Achse eine zusätzliche Achse hinzugefügt, die es ermöglicht, dass der Roboter um die Ecke arbeiten kann.
Portalroboter sind durch ihre Bauweise in der Lage, Transporte über große Strecken durchzuführen und bestehen aus mindestens drei Hauptachsen. Je nach angedachter Belastung sind die Achsen entweder aus Leichtmetall oder aus Stahl. Sogenannte Halbportale stehen auf zwei Füßen, Vollportale hingegen auf vier. Je nach Länge der Achsen ist eine unterschiedliche Traglast realisierbar. Linearportale sind die einfachste Form der Portalroboter. Alle Punkte, die mit dem Greifer angefahren werden, befinden sich entlang der Achse. Ein Portalschlitten sorgt für die waagerechte Bewegung auf der Hauptachse und der Portalarm für die vertikale Bewegung.
Auslegerportale bieten eine zusätzliche Bewegung orthagonal zur Längsachse. Ein Auslegerarm wird am Hauptschlitten montiert, der den Portalarm mit dem Greifer trägt. Flächenportale helfen dabei, große räumliche Entfernungen abzudecken. Ein H-Lader verfügt über zwei Roboterarme mit Greifer auf einer Achse. Die Arme sind parallel zueinander, der Abstand ist fixiert. Besonders geeignet sind H-Lader für lange Wellenteile, bei denen Schwenkgreifer keinen Sinn machen.
Hexapod-Roboter zählen zu den Industrierobotern mit paralleler Kinematik. Sie verfügen über sechs Beine, wodurch Bewegungen in alle Richtungen ermöglicht werden. Vorteile sind die hohe Dynamik sowie die genaue Positionierung. Hexapod-Roboter sind gut geeignet für eine schnelle Bearbeitung von Werkstücken. Typische Einsatzgebiete sind daher in Werkzeugmaschinen, aber auch in der Medizintechnik. Nachteile sind ein hoher Verschleiß und die thermische Belastung der Messsysteme. Außerdem führen die überschaubare Masse und komplexe Kinematik zu einem gesteigerten Steuerungsaufwand und einer Schwingungsanfälligkeit.
Auch Delta-Roboter gehören zu den Parallelarmrobotern und verfügen über eine Stabkinetik. Sie verfügen über mindestens drei Arme, die durch Kreuzgelenke mit der Basis verknüpft sind. Diese Form erinnert an den griechischen Buchstaben Delta und gab dem Roboter seinen Namen. Delta-Roboter zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und ihre Geschwindigkeit aus und werden bevorzugt in der Montage oder zum Verpacken eingesetzt. Typische Einsatzgebiete sind also die Verpackungsindustrie, aber auch die medizinische und Pharma-Industrie. Der Antriebsmotor befindet sich in der Basis und treibt die Achsen der Gelenkarme an. Delta-Roboter verfügen über eine höhere Zielgenauigkeit als Knickarmroboter.
Aufbau des Industrieroboters
Der Manipulator ist der Roboterarm, der die Bewegung der Effektoren im Raum durchführt. Die Motoren der einzelnen Achsen haben außer bei der Scara-Kinematik Haltebremsen.
Der Antrieb bewegt die einzelnen Glieder der kinematischen Kette und setzt sich zusammen aus Motor, Getriebe und Regelung. Nicht stationäre Roboter verfügen außerdem über ein in der Basis integriertes Fahrwerk, das ebenfalls vom Antrieb in Kraft gesetzt wird. Dadurch kann der Roboter flexibel entlang einer Produktionsstraße eingesetzt werden.
Die Steuerung wird zunächst programmiert und überwacht anschließend die Handlungen des Roboters bzw. gibt die Bewegungen vor.
Der Effektor ist das Werkzeug des Roboters, also ein Greif- oder Montagewerkzeug. Er verbindet verschiedene Bauteile oder Komponenten beispielsweise durch Schrauben oder Nieten.
Industrieroboter können über interne und externe Sensoren verfügen. Die internen Sensoren informieren über die Stellung der Manipulatoren und vergleichen die Ist- und Soll-Positionen. Externe Sensoren registrieren die Umgebung des Roboters, damit auf eventuelle Veränderungen reagiert werden kann.
