Industrieroboter

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Was ist und kann ein Roboter/Industrieroboter?

Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d. h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und ggfs. sensorgeführt sind (nach VDI-Richtlinie 2860). Industrieroboter sind mit Greifer, Werkzeugen und anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.


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.

Ein Industrieroboter ist ein System, bestehend aus: Manipulator, Steuerung und dem Programmierhandgerät (siehe Tabelle "Die Komponenten des Systems Industrieroboter").

Industrieroboter im Einsatz: Kombination aus SUMO Ecoplex2 und SUMO Fotoplex von EGS Automatisierungstechnik mit Yaskawa Roboter


Die Komponenten des Systems Industrieroboter
System-Komponente Bild Beschreibung
Manipulator Industrieroboter-Manipulator Ein elektromechanisches Gebilde, welches aus mehreren rotatorischen Bewegungen der einzelnen Achsen über Getriebe und die einzelnen mechanischen Elemente eine Bahnbewegung des TCP (Tool-Center-Point) erzeugt. Dabei haben die Motoren der einzelnen Achsen in der Regel Haltebremsen (Ausnahme Scara-Kinematik, die nur Haltebremsen an der Hubachse der Spindel aufweisen).
Roboter Steuerung Industrieroboter-Steuerung Enthält Servoverstärker für die einzelnen Roboterachsen, jeweils einer pro Motor. Die Servoverstärker steuern die einzelnen Motoren nach Sollwerten an, die sie vom eigentlichen Achsrechner der Robotersteuerung erhalten. In diesem Achsrechner, dem Herzstück der Robotersteuerung, findet die eigentliche Bahnplanung und Interpolation der Achsen statt. Über Absolutwertencoder an den einzelnen Achsen kennt der Achsrechner die aktuellen Positionen der Achsen und gibt entsprechend den Erfordernissen aus dem aktuellen Programm Sollwerte vor.
Programmierhandgerät Programmierhandgerät Bzw. Bedienhandgerät, landläufig auch Teachbox genannt, dient dem Bediener oder Programmierer zur Handhabung bzw. Programmierung des Roboters. Es ist ausgerüstet mit einem Zustimmtaster (teilweise auch zwei für Links-/Rechtshänder), der während dem Programmieren bzw. Bewegen in Sicherheitsgeschwindigkeit aktiv in Mittelstellung gehalten werden muss. Landläufig wird der Zustimmtaster auch Totmannschalter genannt. Während des Bewegens im sogenannten Teachbetrieb (also mit in Mittelstellung gehaltenem Zustimmtaster und mit reduzierter Sicherheitsgeschwindigkeit) dürfen Türsicherheitskreise geöffnet sein.
Industrieroboter 15-Achs im Einsatz
15-Achs Roboter von Yaskawa hier als "RoboBarkeeper"


Roboter-Arten nach Aufgaben

Roboter-Arten nach Kinematiken

Industrieroboter lassen sich in folgende Arten unterschieden:

  • Seriellen Kinematiken, bei der die Achsen seriell angeordnet sind
    • Knickarmroboter (auch bezeichnet als Gelenkarmroboter oder Gelenkroboter)
    • Scara-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) mit 3 Rotationsachsen + 1 Linearachse
  • Parallele Kinematiken, bei der die Achsen parallel angeordnet sind

Referenzpunkt am Werkzeug/Tool Center Point

Die Werkzeugposition eines Industrieroboters wird über einen Referenzpunkt am Werkzeug, den sogenannten TCP (Tool Center Point) definiert. Dieser wird entweder in einer Werkzeugdatei manuell eingegeben (wenn z.B. aus CAD-Daten bekannt) andernfalls bieten die Roboterhersteller in der Regel eine Möglichkeit ihn durch Anfahren in unterschiedlichen Positionen in einer entsprechenden Vermeßungsroutine zu bestimmen.

Koordinatensysteme

Industrieroboter Koordinatensysteme
Industrieroboter Koordinatensysteme
Kartesische Koordinaten
wird in der Regel im Auslieferungszustand des Roboters festgelegt. Somit erhält man die Richtungen der drei Koordinatensystemachsen durch Anwenden der „Rechte-Hand-Regel“ wenn man hinter dem Roboter, also an dem Kabelanschlüssen steht.
Zylindrische Koordinaten
spielt heutzutage nahezu keine Rolle mehr und wird zur Auswahl nur noch bei älteren Robotern verfügbar sein.
Werkzeug-Koordinaten
hat seinen Ursprung im TCP des aktuellen Werkzeuges. Das Werkzeugkoordinatensystem wird benötigt, um den Roboter in eine Koordinate, die sich auf das Werkzeug bezieht, zu verfahren.
Anwender-Koordinaten
dienen dazu, dem Programmierer bzw. Anwender die Arbeit zu erleichtern. Dabei handelt es sich um ein oder mehrere kartesische Koordinatensysteme, die frei im Bewegungsbereich des Roboters hinsichtlich Lage und Richtung definiert werden können. Damit lassen sich z.B. sehr einfach Palettieraufgaben auf schräg angeordneten Paletten berechnen.

Bewegungsarten

Joint-Bewegung oder freie Raumbewegung
Bei der Joint-Bewegung oder freien Raumbewegnung steht lediglich die Zielposition des Roboters im Vordergrund, es werden alle Achsen auf ihren Ziel-Encoderwert gefahren. Die Geschwindigkeiten werden dabei so interpoliert, dass die Bewegung aller Achsen gleichzeitig endet. Hinsichtlich der Bewegung, die das Roboterwerkzeug bzw. der Tool-Center-Point dabei macht können keine Vorgaben getroffen werden. Die Geschwindigkeit für diese Bewegung wird in der Regel in % vom Maximum angegeben, da keine Bahngeschwindigkeit des TCP vorgegeben werden kann.
Linearbewegung
Bei der Linearbewegung werden die Achsen des Roboters so interpoliert, dass der aktuelle TCP eine lineare Bahn zur Zielposition beschreibt. Die Bahngeschwindigkeit wird in Länge/Zeit eingegeben. Die Achsgeschwindigkeiten werden dabei so interpoliert, dass einerseits die vorgegebene Bahn und andererseits die vorgegebenen Bahngeschwindigkeit eingehalten werden.
Zirkularbewegung
Bei der Zirkularbewegung werden die Achsen des Roboters so interpoliert, dass der aktuelle TCP über mehrere Punkte eine Kreisbahn oder einen Kreis beschreibt. Die Bahngeschwindigkeit wird in Länge/Zeit eingegeben. Die Achsgeschwindigkeiten werden dabei so interpoliert, dass einerseits die vorgegebene Bahn und andererseits die vorgegebenen Bahngeschwindigkeit eingehalten werden.
Spline-Interpolation
Bei der Splinebewegung werden die Achsen des Roboters so interpoliert, dass der aktuelle TCP mehrere Punkte über eine mathematische Funktion zu einer Bahn verbindet. Die Bahngeschwindigkeit wird in Länge/Zeit eingegeben. Die Achsgeschwindigkeiten werden dabei so interpoliert, dass einerseits die vorgegebene Bahn und andererseits die vorgegebenen Bahngeschwindigkeit eingehalten werden.

Programmierung

Es gibt keine einheitliche Programmiersprache zur Roboterprogrammierung. Jeder Hersteller hat dabei seine eigene Syntax und seine eigenen Funktionalitäten. Eine Normierung oder Vereinheitlichung ist nicht erfolgt. In der Regel wird das Programm am Programmierhandgerät des Roboters oder auf einem PC in einem speziellen Editor erstellt oder in einer Mischung aus beidem. Ferner gibt es noch die Möglichkeit der Offline-Programmierung, bei der in einer virtuellen Installation das Roboterprogramm erstellt wird und dieses dann in die reale Installation übertragen wird.

Auswahl des richtigen Roboter-Typs

Industrieroboter von YASKAWA
Industrieroboter von YASKAWA im Einsatz

Die Auswahl des richtigen Robotertyps für die aktuelle Anwendung bedarf der Berücksichtigung einiger Randbedingungen. Neben den nachfolgenden technischen Werten spielt darüber hinaus noch eine entsprechend tiefgreifende Erfahrung im Robotereinsatz, gepaart mit der fundierter Kenntnis des zu automatisierenden Prozesses eine wichtige Rolle.

Schritt ① Arbeitsbereich
Der aktive Arbeitsbereich eines Roboters ergibt sich aus der maximalen Reichweite abzüglich dem inneren Störkreis. Alle zu erreichenden Positionen des Prozesses müssen im verfügbaren Arbeitsbereich liegen. Darüber hinaus muss der Roboter zum Prozess bestmöglich angeordnet werden. Dabei ist auch die Aufstellhöhe zu beachten. Die richtige Positionierung sorgt dafür, dass der Roboter in günstigen Achsstellungen sein Programm abarbeitet, damit die bestmögliche Zykluszeit erreicht und Singularitäten vermeidet. Die Reichweite wird in den Datenblättern der Hersteller als Abstand des am weitesten entferntesten Punktes des Arbeitsbereiches vom Zentrum des Robotersockels (auch der Ursprung des Roboter Koordinatensystems) angegeben. Der Arbeitsbereich des Industrieroboters ist die Summe aller Punkte, die mit dem Schnittpunkt der letzten beiden Achsen erreicht werden können. Ferner sind bei der Anordnung noch die Werkzeugdimensionen sowie die Werkzeugorientierung zu berücksichtigen.
Schritt ② Traglast
Zu berücksichtigen ist die angegebene maximale Traglast des Roboters. Diese bezieht sich auf die Gesamtlast am Werkzeugflansch und beinhalten Werkzeug und Werkstück(e). Darüber hinaus ist die Entfernung des Nutzlastschwerpunktes zum Werkzeugflansch des Roboters zu berücksichtigen. Diese Grenzen werden von den Roboterherstellern in entsprechenden Diagrammen angegeben. Insbesondere bei großen bzw. voluminösen Werkstücken bzw. Werkzeugen sind darüber hinaus noch die maximal zulässige Trägheitsmomente auf die Achsen zu berücksichtigen.
Schritt ③ Aufstellvarianten
Bei der richtigen Positionierung des Roboters zum Prozess kann es neben der Standardmontage -stehend auf dem Boden oder einem Sockel- unter Umständen sinnvoller sein eine andere Orientierung zu wählen. Er kann z.B. auch: über Kopf hängend oder 90° geneigt an der Wand montiert werden. Dies muss jedoch vom Hersteller erlaubt sein, teilweise bieten die Hersteller dazu spezielle Modelle. Ferner gibt es die Möglichkeit den Arbeitsbereich zu vergrößern, indem man den Roboter auf einer separaten Bewegungsachse montiert -Linear- oder Drehachse- zur Vergrößerung des Arbeitsbereiches (integriert und interpoliert von der Robotersteuerung)
Schritt ④ Taktzeit/Geschwindigkeit
Die Gesamt-Taktzeit setzt sich aus Bewegungszeiten und den einzelnen Prozesszeiten zusammen. Die Roboterbewegungszeit ist abhängig von den Einzelachsgeschwindigkeiten, den Beschleunigungen der einzelnen Motoren, den programmierten Wegen sowie der geschickten Programmierung und den gewählten Achsstellungen. Die Prozesszeiten sind abhängig von dem/den eigentlichen Prozess(en), den Signallaufzeiten sowie ggf. erforderlichen Wartezeiten. Im Datenblatt eines Roboters angegeben sind in der Regel jedoch immer nur die Maximalgeschwindigkeiten der einzelnen Achsen.
Schritt ⑤ Genauigkeit von Industrierobotern
Die Wiederholgenauigkeit ist ein typbezoger Wert, der nach ISO9283 ermittelt wird, und in Datenblättern den Datenblättern angegeben ist. Sie besagt: Wie genau ein Punkt mindestens wieder erreicht wird, wenn alle Achsen auf die gespeicherten Positionen gefahren werden. Die Absolutgenauigkeit ist ein exemplarbezoger Wert. Sie beschreibt wie genau ein Raumpunkt erreicht wird, der z.B. von einer Offlineprogrammierung errechnet wird. Absolutgenauigkeit kann durch spezielle Kalibriermaßnahmen für ein Exemplar verbessert werden.
Schritt ⑥ Medienversorgung
Je nach der Anwendung des Roboters und daraus resultierender Komplexität des Werkzeuges müssen elektrische Energie bzw. Signale, Pneumatik/Vakuum oder Flüssigkeiten zum Werkzeug geführt werden. Dazu gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Fast alle Roboter haben im Standard eine gewisse Anzahl elektrische Adern bzw. Luftschläuche im inneren des Manipulators verlegt. Bei 6Achsern meist vom Sockel bis zur dritten oder vierten Achse. Darüber hinaus gehende Versorgungsleitungen müssen mit entsprechenden Nachrüstlösungen zum Werkzeug geführt werden. Dabei muss die Leitungsführung die erforderlichen Bewegungen des Roboters erlauben.
Schritt ⑦ Umgebungsbedingungen
Die Umgebungsbedingungen, in denen ein Industrieroboter arbeitet, müssen bei der Auswahl und Auslegung berücksichtigt werden. Die -in der Regel für den Manipulator- angegebene IP-Schutzart gibt einen ersten Aufschluss. IP klassifiziert den Schutz gegen mechanische und flüssige (nicht aggressive) Verunreinigungen. Dabei steht die erste Ziffer für den Schutz gegen Berührung bzw. Fremdkörper und die zweite Ziffer für den Schutz gegen Wasser bzw. nicht aggressive Flüssigkeiten. Falls die vorhandene Schutzart des Manipulators nicht ausreicht, kann diese durch Verwendung von Roboterschutzhüllen erhöht werden. Die zulässige Umgebungstemperatur für Roboter und Steuerung wird in der Regel ebenfalls auf dem Datenblatt angegeben.

Roboter-Markt

Der Markt für Industrieroboter wächst stetig und rasant. Die aktuellen Marktdaten werden regelmäßig von der IFR (International Federation of Robotics) erhoben und veröffentlicht. In der letzten Studie, die am 30.9.15 veröffentlicht wurde, zeichnet die IFR ein extrem positives Bild für den Roboterweltmarkt: -für 2015 wird mit einem Stückzahlwachstum um 15% weltweit gerechnet -Hauptwachstumstreiber ist Asien und dort – trotz aktueller Konjunkturschwäche- China -70% des weltweiten Bedarfes teilen sich auf 5 Länder auf: China, Japan, USA, Korea, Deutschland -in 2018 wird erwartet, dass weltweit 400.000 neue Roboter installiert werden. Davon werden rd. 270.000 Einheiten in Asien und rd. 70.000 Einheiten in Europa zum Einsatz kommen. Die Bedeutung des asiatischen Marktes für die Hersteller wird also sowohl absolut als auch proportional zu Europa immer größer. -seit 2013 spielen auch chinesische Hersteller am lokalen Markt eine wesentliche Rolle. -bei der Roboterdichte liegt Deutschland auf Platz3 mit 292 Robotern auf 10.000 Beschäftigte hinter Korea (478) und Japan (314), vor den USA mit 164. Im Vergleich dazu beträgt der Wert für China 36Roboter/10.000 Beschäftigte.

Industrieroboter Hersteller Übersicht

Die größten Hersteller von Industrierobotern mit Firmendetails (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), die in Deutschland aktiv sind:

Fanuc
Der japanische Roboterhersteller Fanuc produziert seit 40 Jahren Industrieroboter und ist weltweit aktiv.
Yaskawa
ist ebenfalls ein japanischer Hersteller von Industrierobotern, der zusammen mit Fanuc weltweit führend in dieser Branche ist. Bekannt sind die Yaskawa Industrieroboter mit der Motoman Robotertechnik.
Kuka Roboter
ist in Deutschland der klare Marktführer in Bezug auf Industrieroboter, gefolgt von Fanuc und ABB. Kuka produziert Roboter mit niedriger Traglast bis hin zu Schwerlast. Der KR 210 R2700 EXTRA Industrieroboter gehört zu den bekanntesten Robotern von Kuka.
ABB
Der Hersteller ABB ist spezialisiert auf Knickarmroboter und Lackierroboter. Die IRB 2400 von ABB ist der weltweit am häufigsten eingesetzte Industrieroboter seiner Klasse.
Epson
Das japanische Unternehmen Epson konzentriert sich neben der Produktion von Industrierobotern auch auf Druckerherstellung, Scanner und Kameras.
Stäubli
Stäubli ist ein weltweit aktives Unternehmen für die Bereiche Textilmaschinen, Schnellkupplungssysteme und Industrieroboter.
Industrieroboter GmbH
Es gibt auch eine Industrieroboter Gmbh, die eine deutsche Vertriebs- und Service-Tochter der japanischen IAI Corporation ist. Dieser Industrieroboterspezialist konzentriert sich auf Entwicklung, Konstruktion und Fertigung elektrischer Aktuatoren. Angebotsportfolio: Elektrische Linear-, Rotations-, und Greifmodule, kartesische Robotersysteme, Tischroboter, Scara-Roboter, Steuerungen sowie Feldbusanbindungen.

Industrieroboter gebraucht

Auf verschiedenen Online Marktplätzen können zudem Industrieroboter gebraucht erworben werden: Maschinensucher, ebay etc.

Industrieroboter in der Forschung

Themen in der Roboter-Forschung sind z. B.

  • Intelligente Industrieroboter
  • Wiederverwendbare Roboterapplikationen
  • Die sichere Mensch-Roboter-Interkation bzw. Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK)
  • Schnelle Variantenprogrammierung
  • Einsatz von Roboter zur motorischen Aktivierung von Menschen
  • Teleoperation von Robotern
  • AutomationML (Automation Markup Language)
  • Innovative Roboter-Programmiermethoden

Einsatzbereiche und Branchen

Die Einsatzmöglichkeiten des Industrieroboters sind sehr vielfältig. Er wird in den unterschiedlichsten Industrien und Branchen eingesetzt.

Typische Anwendungsbereiche sind:

  • Handhabung
  • Palettieren
  • Bahnschweißen
  • Punktschweißen
  • Montieren
  • Prüfen, Messen
  • Reinigen
  • Kennzeichnen, Beschriften
  • Entgraten
  • Oberflächenbehandlung
  • Verbindungstechnologien
  • Lackieren

Geschichte des Industrieroboters

Der erste Industrieroboter war der Unimate.


Industrial Robots History

Industrieroboter Berufe

Im Industrieroboter-Umfeld gibt es mehre Berufe, z. B.:

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