Definition Was ist ein Industrieroboter?

Roboter sind feste Bestandteile in der Automatisierung vieler Industriebereiche und arbeiten rund um die Uhr. Was genau macht einen Industrieroboter aus? Wie lassen sie sich kategorisieren und worin bestehen die Unterschiede bei den verschiedenen Bauformen?

Ein Industrieroboter (auch Industrieller Manipulator) ist eine universelle, programmierbare Maschine zur Handhabung, Montage und Bearbeitung von Bauteilen und Werkstücken. Solche Roboter wurden speziell für den Einsatz in der Industrie entwickelt und zählen zur Maschinenbau-Disziplin Automatisierungstechnik, in der auch häufig der Begriff Handhabungssysteme gebräuchlich ist.

Woher kommt die Bezeichnung Roboter und seit wann gibt es Industrieroboter?

Ursprünglich kommt der Bezeichnung Roboter aus Science-Fiction-Erzählungen. Der Begriff findet sich 1921 erstmals in einem Theaterstück des tschechischen Schriftstellers Karel Čapek mit dem Titel „Russum´s Universal Robots“. In dem Stück beschreibt der Schriftsteller Maschinen, die Menschen ähneln und Frondienste bzw. Sklavenarbeiten leisten müssen. Die Maschinen werden als Roboter, abgeleitet aus dem slawischen Wort „robota“, bezeichnet, was im Polnischen so viel wie „Arbeit“ oder im Tschechischen „Fronarbeit“ bedeutet.

Den ersten Roboter erfand 1954 George Devol, der in den USA ein Patent für einen programmierbaren Manipulator (Roboterarm) anmeldete und gemeinsam mit dem Ingenieur, Unternehmer und Physiker Joseph Engelberger zwei Jahre später die erste Robotikfirma mit dem Namen Unimation gründete. Die ersten Roboter, von Devol „Unimate“ genannt, kamen 1962 bei General Motors für die Entnahme und Vereinzelung von Spritzgussteilen zum Einsatz.

Aus welchen Komponenten bestehen Industrieroboter?

Im Allgemeinen bestehen Industrieroboter aus einem Manipulator, dem Roboterarm, mit einem Endeffektor (Greifer, Werkzeuge, etc.) sowie einer Steuerung, mit der sich die Bewegungsabläufe programmieren und steuern lassen. Oftmals werden Roboter ergänzend mit Sensoren ausgestattet, z. B. mit Kameras für das sogenannte Bin-Picking. Hinzu kommt Peripherie, etwa Zuführungen oder Schutzzäune, die Menschen vor potenziellen Gefahren schützen sollen und somit die Industrieroboter u.a. auch von Cobots als kollaborative Roboter, die enger mit Menschen zusammenarbeiten, abgrenzen.

Wie unterscheiden sich Industrie- und Serviceroboter?

• Industrieroboter übernehmen die Handhabung und Fertigung von Teilen bzw. Werkstücken in der Produktion und sind somit ein fester Bestandteil der Automatisierung von Fertigungsprozessen.

• Serviceroboter sind nicht unmittelbar in industrielle Produktions- und Fertigungsprozesse eingebunden, sondern übernehmen zumeist einfache Aufgaben und Dienstleistungen für Mitarbeiter in Betrieben. Sie werden daher gewissermaßen flankierend in bestimmten Tätigkeitsbereichen eingesetzt.

In welche Kategorien werden Industrieroboter eingeteilt?

Industrieroboter gibt es in sehr unterschiedlichen Konfigurationen, wobei in der Regel ein Grundmodul mit anwendungsspezifischen Endeffektoren und Sensoren an die spezifischen Aufgabenstellungen angepasst wird.

Unterschieden werden Industrieroboter grundsätzlich anhand ihrer jeweiligen Kinematik. Dabei verfügen sie entweder über eine serielle oder eine parallele Kinematik:

• Roboter mit serieller Kinematik bestehen aus mehreren aneinander anschließenden Gelenkarmen. Die Roboterachsen sind somit seriell angeordnet.

• Achsen von Robotern mit paralleler Kinematik wirken direkt auf die zu bewegende Plattform, die z. B. ein Werkzeug aufnehmen kann. Alle Antriebsachsen müssen hierzu gleichzeitig, also parallel zueinander bewegt werden.

Roboter mit serieller Kinematik

Die Bandbreite an Robotern mit serieller Kinematik ist groß, da diese Konstruktion ein besonders hohes Maß an Beweglichkeit und Flexibilität unter allen Roboter-Bauarten bietet. Entsprechend breitgefächert ist daher das Angebot an Lösungen, wobei hier generell zwischen Gelenkarm- und Portalrobotern differenziert werden kann.

– Gelenkarmroboter

Gelenkarmroboter werden auch als Knickarmroboter bezeichnet. Dabei handelt es sich um dreidimensional bewegliche Industrieroboter, deren Gelenke sich ähnlich wie menschliche Arme bewegen können und sich daher für Aufgaben eignen, die präzise Bewegungsabläufe erfordern, wie z. B. Schweißen, Montieren, Lackieren und diverse Pick-&-Place-Aufgaben. Unter den Gelenkarm-Robotern existieren verschiedene Bauformen:

• 5- und 6-Achs-Gelenkarmroboter haben eine einarmige serielle Anordnung der Rotationsachen, wobei dem 5-Achs-Gelenkarmroboter im Gegensatz zum 6-Achs-Gelenkarmroboter die vierte Achse fehlt, sodass keine Drehung des oberen Arms möglich ist. Der 6-Achs-Gelenkarmroboter gehört zu den bekanntesten Bauformen und ist in der Industrie sehr weit verbreitet.
  7- Achs-Gelenkarm-Roboter bieten mit einer zusätzlichen Achse zwischen der zweiten und dritten Achse eine noch größere Bewegungsfreiheit und können hierdurch quasi „um die Ecke“ greifen.

• Dualarm-Roboter verfügen sogar über 15 Achsen und haben daher zumeist neben zwei 7-achsigen Armen noch eine zusätzliche Rotationsachse. Solche Roboter ermöglichen es, Tätigkeiten zu automatisieren, ohne zuvor die jeweiligen Prozesse an die Kinematik anpassen zu müssen. Die einzelnen Prozessschritte können somit so um den Roboter angeordnet werden, wie sie bereits vor der Automatisierung existierten.

• SCARA-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) sind Horizontal-Knickarmroboter mit einem nur in horizontaler Richtung schwenkbaren Gelenkarm. SCARA-Roboter besitzen in der Regel vier Achsen und vier Freiheitsgrade. Der Roboter steht auf einem festen Roboterfuß, um den sich das erste Gelenk des horizontalen Schwenkarms, bestehend aus zwei Teilen, dreht. Die Glieder des Schwenkarms sind über die zweite vertikale Drehachse miteinander verbunden. Am Ende des zweiten Arms befindet sich die drehbare Z-Achse, an deren Ende ein Endeffektor montiert werden kann. SCARA-Roboter lassen sich sehr universell für verschiedenste, schnelle Pick-&-Place-Anwendungen oder Montage- und Fügeaufgaben mit hoher Widerholgenauigkeit einsetzen.

• Palettierroboter verfügen in der Regel über vier Rotationsachsen und übernehmen mithilfe verschiedenster Greifer die Handhabung von Palettiergütern z. B. auf Europaletten oder Werkstückträgern. Palettierroboter werden zumeist dort benötigt, wo Teile in großen Stückzahlen bei gleichzeitig hoher Flexibilität zu handhaben sind. Bevorzugte Einsatzfelder sind z. B. die Bereiche Verpackung, Logistik und Versand.

Definition

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– Portalroboter

Neben den oben aufgeführten verschiedensten Bauformen von Gelenkarmrobotern, bilden die Portalroboter eine separate Gruppe unter den Lösungen mit serieller Kinematik. Sie haben mindestens drei translatorische Achsen, wobei hier unterschieden wird zwischen:

• Roboter mit Linienportal gehören zu den einfachsten Lösungen, wobei die anzufahrenden Bereiche für den Robotergreifer auf einer Achse liegen. Die Horizontalbewegung auf der Hauptachse des Roboters wird über einen Portalschlitten realisiert. Der Portalarm übernimmt die Vertikalbewegung.

• Roboter mit Auslegerportal verfügen über eine zusätzliche Bewegungsachse, die orthogonal zu Portallängsachse verläuft.

• Flächenportalroboter kommen zum Einsatz wenn große Strecken in vertikaler oder horizontaler Richtung abgedeckt werden müssen. Der sogenannte H-Lader hat auf einer Achse zwei Roboterarme mit Robotergreifer. Die Roboterarme sind parallel angeordnet und fixiert. Solche Portalroboter eignen sich zum Beispiel für das Handling und den Transport von langen Wellen.

Portalroboter sind häufig in der CNC-Fertigung zu finden, z. B. um Maschinen von oben mit Werkstücken oder aber mit Werkzeugen für die Bearbeitung zu versorgen. Die Werkzeuge befinden sich hierzu oftmals in einem sogenannten Gantry-Tool-Storage, das an einer Hallenwand oberhalb der Fertigung angebracht ist.

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Konstruktion & Integration von Industrierobotern

Roboter mit paralleler Kinematik

Zu den Robotern mit paralleler Kinematik gehören Delta-Roboter und Hexapod-Roboter.

– Delta-Roboter

Delta-Roboter sind Parallelarmroboter mit einer Stabkinetik, wobei die Achsen der spinnenartigen Maschine im Zusammenspiel eine geschlossene kinematische Kette bilden. Die Basis oder der Rumpf des Roboters ist oberhalb der zu handhabenden Teile montiert. Von dort ragen mindestens drei Arme abwärts, die dem griechische Buchstaben Delta ähneln. Die unteren Teile der Gelenkarme sind jeweils als Parallelogramm ausgeführt und bestehen demnach aus jeweils zwei Stäben mit Kugelgelenken an den Enden. Delta-Roboter sind auch in Bauformen mit vier sowie mit sechs oder sieben Gelenkarmen verfügbar.

Im Vergleich zu Gelenkarmrobotern haben Delta-Roboter eine hohe Steifigkeit bei geringer Eigenmasse, wobei sich die Motoren in der Basis bzw. dem Rumpf und nicht in den Gelenken befinden. Daher sind Delta-Roboter ideal für extrem schnelle und hochpräzise Pick&Place-Anwendungen und werden aus diesem Grund oftmals in der Verpackungsindustrie sowie in der medizinischen und pharmazeutischen Industrie eingesetzt.

– Hexapod-Roboter

Der Begriff Hexpod kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Sechsfüßler“. Daher hat ein Hexapod-Roboter insgesamt sechs Linearachsen und verfügt aufgrund der Parallelkinematik über eine hohe Beweglichkeit und Positioniergenauigkeit. Hexapod-Roboter werden beispielsweise für die Zerspanung komplexer Werkstücke (z. B. 5-Achs-Bearbeitung) in der metallverarbeitenden Industrie eingesetzt. Darüber hinaus sind sie oftmals in Bewegungssimulationen zu finden. Ein Beispiel sind Flugsimulatoren, mit denen bei der Pilotenausbildung völlig gefahrlos aber überaus realistisch alle erdenklichen Flugszenarien simuliert werden können.

Erklärung

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Vor- und Nachteile von Industrierobotern

Roboter sind aus vielen Industriebereichen nicht mehr wegzudenken. Sie ermöglichen oftmals den einfachen Einstieg in eine Automatisierung mit hoher Produktivität und flexiblem Einsatzspektrum.

Industrieroboter liefern stets reproduzierbare Bewegungsabläufe mit hoher Wiederholgenauigkeit, wodurch eine gleichbleibend hohe Prozessqualität sichergestellt ist, die u.a. zu einer konstant hohen Produktqualität führt. In vielen Industriebereichen verrichten Industrieroboter repetitive, monotone Arbeiten und entlasten somit Menschen von schweren, ermüdenden und unergonomischen Tätigkeiten. Darüber hinaus übernehmen Roboter mitunter gefährliche Aufgaben, wodurch sie die Gesundheit der Menschen schützen.

Neben diesen und vielen weiteren Vorteilen sind jedoch auch einige Nachteile zu nennen. So sind die Investitionskosten in Industrieroboter zumeist hoch. Ändern sich etwa Prozesse oder Arbeitsschritte und damit Bewegungsabläufe, dann müssen Roboter neu programmiert werden, wozu in der Regel spezielles Wissen erforderlich ist.

Last but not least erfordert die Bedienung und Wartung eines Industrieroboters je nach Komplexität den Einsatz von qualifiziertem Personal.

Typische Einsatzgebiete von Industrierobotern

Die potenziellen Einsatzfelder von Industrierobotern sind immens breit gestreut. Da eine annähernd vollständige Aufzählung nicht möglich ist, hier nur ein kleiner Überblick typischer Anwendungsgebiete:

• Bestückung (Be- und Entladen von Maschinen)

• Pick-&-Place, Verpacken, Palettieren, Stapeln

• Messen und Prüfen

• Schweißen

• Schneiden

• Fräsen und Bohren

• Lackieren

• Montieren

• Reinigen

• Kennzeichnen und Beschriften

• Fügen, Kleben und Verbinden

• Entgraten/Finishing

Anbieter von Industrierobotern

• ABB

• Cloos

• Denso

• Dürr

• Epson

• Fanuc

• Igus

• Kawasaki

• Kuka

• Nachi

• Omron

• OTC Daihen

• Siemens

• Stäubli

• Weiss

• Yamaha

• Yaskawa

Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen: Wikipedia, Xpertgate, Herchenbach, Induux Wiki, MoreThanDigital, Statzon, Weiss,ABB, Kuka, Fanuc

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