Industrieroboter

Dieses Kapitel befasst sich näher mit Industrierobotern und beleuchtet dabei die weltweiten Markttreiber, die verschiedenen Roboterarten, die typischen Einsatzbereiche, die Grundlagen der Programmierung und die jeweiligen Sicherheitsaspekte.

Markttrends

Industrieroboter bedeuten in der gesamten Fertigungsbranche einen Wettbewerbsvorteil, da die Unternehmen besser auf schnellere Konjunkturzyklen, vielfältigere Kundenbedürfnisse, allgemeinen Konkurrenzdruck und Emissionsvorschriften reagieren können. Da Industrieroboter immer günstiger in der Anschaffung werden, sinkt der Investitionsbedarf, was ihre Akzeptanz in allen Industriesektoren fördert.

Schätzungen lassen vermuten, dass die Anzahl der Ende 2016 weltweit eingesetzten Industrieroboter von 1.828.000 Einheiten bis 2020 auf 3.053.000 steigen wird, wobei der größte Teil dieses Wachstums in asiatischen Fabriken stattfinden dürfte. Das gilt insbesondere für China, wo sich die Zahl schätzungsweise auf rund 950.000 Einheiten beläuft.

Gemeinsam zeichneten China, die Republik Korea, Japan, die USA und Deutschland im Jahr 2016 für 74 Prozent der Industrieroboterproduktion verantwortlich. Abb. 1 zeigt die wachsende Versorgung mit Industrierobotern nach Branche von 2014 bis 2016.

Stichwort Zusammenarbeit: Die roboterübergreifende und Mensch-Roboter-Kollaboration gewinnt zusehends an Bedeutung. Dies ist zurückzuführen auf immer mehr Kleinserienproduktionen mit hohem Komponentenmix, die mehr Variabilität und mehr menschlichen Eingriff erfordern.

Abbildung 1: Insgesamt ist der Einsatz von Industrierobotern jährlich gewachsen (Quelle: IRF-Bericht 2017).

Ausführungen des Industrieroboters

Die meisten Industrieroboter sind stationär ausgeführt, sodass sich der Roboterarm über der stationären Basis bewegt. Wie Tabelle 1 zeigt, gibt es hauptsächlich sechs Arten stationärer Roboter. Am häufigsten kommen Gelenkarm-, SCARA-, Parallelkinematik- und Portalroboter zum Einsatz.

Typ	Description- Erklärung	Einsatzbereich:
Kartesischer Roboter/ Portalroboter	Arbeitet auf der X-, Y- und Z-Achse mit linearen Führungsschienen	Bestückung, Dichtmittelauftrag, Lichtbogenschweißen
Zylindrischer Roboter/ Zylinderkoordinatenroboter	Kombiniert ein rotatorisches Gelenk mit einem prismatischen Gelenk. Führt Bewegungen in einem zylindrischen Arbeitsraum aus	Montagearbeiten, Punktschweißen, Steuerung von Werkzeugmaschinen
sphärisch	Kombiniert zwei rotatorische mit einem translatorischen Gelenk, sodass ein sphärischer Arbeitsraum entsteht	Punktschweißen, Gussarbeiten, Gas- und Lichtbogenschweißen
SCARA-Roboter/ horizontaler Knickarmroboter	Der nachgiebige Arm ist zylindrisch aufgebaut und besteht aus zwei parallelen Gelenken, sodass die Nachgiebigkeit auf einer Ebene stattfindet.	Bestückung, Dichtmittelauftrag, Montagearbeiten, Steuerung von Werkzeugmaschinen
Gelenkarmroboter/ vertikaler Knickarmroboter	Die Glieder sind durch Rotationsgelenke miteinander verbunden. Jedes Gelenk stellt eine eigene Achse dar, sodass ein zusätzlicher Freiheitsgrad entsteht. Gelenkarmroboter haben vier oder sechs Achsen	Montagearbeiten, Gussarbeiten, Gas- und Lichtbogenschweißen, Lackierarbeiten
ParallelkinematikRoboter	Besteht aus Parallelogrammen, die an einer gemeinsamen Basis angelenkt sind. Die Parallelogramme bewegen ein Handwerkzeug innerhalb eines kuppelförmigen Arbeitsraums.	Präzise Bestückungsarbeiten

Tabelle 1: Die wichtigsten Industrieroboter
Wie Tabelle 2 zeigt, werden Roboter auch nach verschiedenen Betriebsparametern gruppiert.

Der Arbeitsraum ist bei jeder robotischen Anwendung zu beachten

Parameter	Description- Erklärung
Anzahl der Achsen/ Freiheitsgrade	Zwei Achsen werden benötigt, um einen beliebigen Punkt auf einer Ebene zu erreichen. Drei Achsen werden benötigt, um einen beliebigen Punkt im Raum zu erreichen. Drei weitere Achsen (Gieren, Neigen und Rollen) werden benötigt, um die Ausrichtung der Roboterhand am Ende des Arms zu steuern.
Arbeitsraum	Erreichbarer Bewegungsraum des Roboters
Kinematik	Anordnung der Glieder und Gelenke, die über die Bewegungsmöglichkeiten des Roboters entscheiden. Beispiele: Gelenkarmroboter, kartesischer Roboter, Parallelkinematik-Roboter oder SCARA-Roboter
Traglast	Gibt an, welches Gewicht der Roboter heben kann
Geschwindigkeit	Gibt an, wie schnell eine Achse beschleunigt. Aufgrund dieses einschränkenden Faktors erreicht der Roboter bei kurzen Bewegungen oder komplexen Bahnen mit häufigen Richtungswechseln möglicherweise nicht die angegebene Höchstgeschwindigkeit.
Beschleunigung	Gibt an, wie schnell eine Achse beschleunigt. Aufgrund dieses einschränkenden Faktors erreicht der Roboter bei kurzen Bewegungen oder komplexen Bahnen mit häufigen Richtungswechseln möglicherweise nicht die angegebene Höchstgeschwindigkeit.
Genauigkeit	Als Genauigkeitsmaß dient die absolute Position des Roboters im Vergleich zur angewiesenen Position. Die Genauigkeit lässt sich mit externer Sensorik verbessern, z. B. mit Optiksystemen oder Infrarottechnik. Sie ist abhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit, der Position innerhalb des Arbeitsraums und der Traglast (Nachgiebigkeit).
Reproduzierbarkeit	Wenn der Roboter bei jedem Anfahren der in der Steuerung programmierten Position sein Ziel bis auf 0,1 mm genau erreicht, spricht man von 0,1 mm Wiederholgenauigkeit.
Bewegungssteuerung	Bei Bestückungsarbeiten und ähnlich einfachen Anwendungen muss der Roboter wiederholt verschiedene programmierte Positionen anfahren. Beim Schweißen, bei der Oberflächenendbearbeitung und bei anderen komplexen Vorgängen hingegen muss die Bewegung durchgehend gesteuert werden, damit die gewünschte Bahn im Raum mit kontrollierter Ausrichtung und Geschwindigkeit verfolgt wird.
Kraftquelle	Elektrik (E-Motoren), Hydraulik (Stellglieder) usw.
Antrieb	Bei einigen Robotern sind die Gelenke über Zahnräder mit Elektromotoren verbunden, bei anderen wirkt der Motor direkt auf das Gelenk (Direktantrieb). Kleinere Roboterarme arbeiten oft mit hochdrehenden, drehmomentschwachen Gleichstrommotoren, die ein großes Übersetzungsverhältnis erfordern. Der Nachteil liegt hier im Flankenspiel.
Nachgiebigkeit	Winkel oder Strecke, die eine Roboterachse unter einer Kraft zurücklegt. Wenn der Roboter eine Position anfährt und dabei seine maximale Traglast ausreizt, ist seine Endposition etwas niedriger, als es ohne Last der Fall wäre.

Tabelle 2: Betriebsparameter von Industrierobotern

Beispielhafte Einsatzbereiche

Im Folgenden betrachten wir zwei beispielhafte Industrieroboter, die herstellerseitig auf die speziellen Anforderungen des angestrebten Einsatzbereichs ausgelegt wurden.

ABB-Baureihe IRB 5500

Die Baureihe IRB 5500 von ABB ist ein Gelenkarmroboter mit sechs Achsen, der für Lackierarbeiten im Automobilbau entwickelt wurde.

Der IRB 5500 hat drei Eigenschaften, die ihn für seinen Einsatzbereich geeignet machen:

Ein großer Arbeitsraum, sodass zum Lackieren horizontaler Flächen (z. B. Motorhauben) nicht zwei Roboter benötigt werden und somit die Nahtbildung in der Mitte entfällt. Bei nur einem Roboter kann in diesem Bereich auf eine Qualitätskontrolle verzichtet werden.
Hohe Beschleunigung: Beim Schweißen, Lackieren und anderen komplexen Anwendungen muss die Bewegung der gewünschten Bahn im Raum mit kontrollierter Ausrichtung und Geschwindigkeit folgen. Wenn der Roboter bei der Rückwärtsbewegung zu stark verlangsamt, sammelt sich an der betroffenen Stelle am Fahrzeug überschüssiger Lack.
Eine hohe Traglast, die eine engere Einbindung der Prozessgeräte in die Arbeitsfläche ermöglicht und damit Verschwendung reduziert

Omron-Baureihe Quattro 800:

Hierbei handelt es sich um einen Parallelkinematik-Roboter für Hochgeschwindigkeitsarbeiten in Fertigung, Verpackung, Materialtransport und Montage. Da sich alle Stellglieder in der Basis befinden, können die Arme aus einem leichten Verbundwerkstoff hergestellt werden. Die beweglichen Teile weisen somit eine geringe Massenträgheit auf und können sehr schnell beschleunigt werden. Alle Arme sind mit dem Endeffektor verbunden, weshalb der Roboter relativ steif ist, dafür aber einen kleinen Arbeitsraum hat.

Die folgenden Eigenschaften des Quattro eignen sich gut für seine Einsatzzwecke:

Geschwindigkeit 10 m/s (IRB 5500: 1 m/s)
Wiederholgenauigkeit 0,1 mm (IRB 5500: 0,15 mm)
Arbeitsraum: arbeitet in einem zylindrischen Bereich von 1300 mm und eignet sich damit auch für LebensmittelProduktionslinien

Programmierung von Industrierobotern

Bei der Programmierung eines Roboters wird ein physischer oder geometrischer Bezug zwischen dem Roboter und dem Zielobjekt hergestellt. Dazu muss der Roboter manuell gesteuert werden, um die Koordinatenpunkte innerhalb des Arbeitsraums physisch anzulernen.

Es gibt drei gängige Programmier- oder auch Teach-Methoden:

Lead-Through-Programmierung

Der Roboter wird mithilfe eines Programmierhandgeräts (PHG) manuell in die gewünschte Position gefahren. Dabei kann mit geringer Geschwindigkeit gearbeitet werden, um die Position genau zu erreichen oder neue bzw. veränderte Routinen zu testen. Als Sicherheitsvorkehrung hat die Anlage meist einen großen Nothalt-Taster.

Walk-Through-Programmierung

Während sich der Roboter im sicheren Modus befindet, führt der Bediener ihn mit der Hand an die gewünschte Position oder entlang der gewünschten Bahn. Die Steuersoftware speichert die Positionen in der Steuerung. Später kann das Programm den Roboter an die Positionen fahren oder die Bahn verfolgen. Diese Programmiermethode wird oft beim Lackieren und ähnlichen Aufgaben angewendet.

Offline-Programmierung

Der Roboter und andere Maschinen oder Instrumente im Arbeitsraum werden grafisch kartiert, sodass sich der Roboter am Bildschirm bewegen und der Prozess sich simulieren lässt. Auf diese Weise erstellen Simulatoren die Programme für den Roboter, ohne dass der Roboterarm physisch in Betrieb genommen werden muss. Das spart Zeit beim Anwendungsdesign. Außerdem können vor dem Einschalten des Systems verschiedene Was-Wäre-Wenn-Szenarien erprobt werden, was sich förderlich auf die Betriebssicherheit auswirkt.

Oft werden die verschiedenen Methoden kombiniert. Programme, die per Lead-Through oder Walk-Through erstellt wurden, können mithilfe von Offline-Simulatoren geprüft und optimiert werden. An der Bedientafel können Programme umgeschaltet, Änderungen in einem Programm vorgenommen und integrierte Peripheriegeräte bedient werden. Oft werden der Roboter und seine Peripherie durch einen Computer überwacht. Der Computer kann auch als zusätzlicher Speicher verwendet werden und bietet Zugriff auf zahlreiche komplexe Bahnen und Routinen.

Das SRP-Programmierwerkzeug von ABB für die Baureihe IRB 5500 ermöglicht die Lead-Through-Programmierung mithilfe einer simulierten Lackierpistole, während die Simulations- und Offline-Programmiersoftware RobotStudio für die Offline-Prüfung und -Optimierung zur Verfügung steht.

Sicherheitsaspek te und -Systeme

Beim Betrieb robotischer Produktionssysteme sind verschiedene Sicherheitsaspekte zu beachten. Der Mensch sollte unbedingt vom Arbeitsraum des Roboters ferngehalten werden, da der Endeffektor plötzliche Bewegungen mit hoher Geschwindigkeit ausführt, wobei große Kräfte entstehen. Physische Absperrungen und Verriegelungssysteme sind notwendig, damit der Bediener und anderes Personal im Betrieb keinen Zugang zum Arbeitsraum haben.

Das Programmieren eines Roboters birgt potenzielle Gefahren, da der Bediener physisch mit dem Roboter in Kontakt kommt. Aus diesem Grund gibt es entsprechende Sicherheitssysteme wie Nothalt-Taster oder einen Teach-Modus, in dem die Robotergeschwindigkeit begrenzt ist. Auch Sensoren, die überhöhte Kräfte verhindern oder den Roboter rechtzeitig vor plötzlichen Hindernissen anhalten, können in den Roboter integriert werden.

Außerdem sollte sich die Auswahl des Roboters nach den Eigenschaften seiner Betriebsumgebung richten. Beispielsweise ist beim Einsatz von Elektromotoren darauf zu achten, dass sich brennbare Stoffe oder Gase durch statische Aufladung und Funkenbildung entzünden können.

Neben Nothalt-Tastern wird der menschliche Bediener auch von Lichtvorhängen geschützt, da sie das versehentliche Eindringen in den Arbeitsraum verhindern.

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurden die verschiedenen Ausführungen des Industrieroboters aufgeführt und die Anpassung dieser Roboter und ihrer Eigenschaften an bestimmte Anwendungsbereiche erläutert. Auch die Programmierung von Robotern und die entsprechenden Sicherheitsaspekte wurden beschrieben. Dabei wurden zwei Roboter für sehr unterschiedliche Einsatzbereiche als Beispiel angeführt.

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