Roboteranwendungen

Andrea Gillhuber,

Roboter und ihre Einsatzgebiete

Roboter erfreuen sich in den unterschiedlichsten Anwendung wachsender Beliebtheit. In der Industrie sind sie aus der intelligenten, vernetzten Produktion und Montage nicht mehr wegzudenken. Doch welcher Roboter eignet sich am besten für welche Anwendung? Von Peter Lange

Ein Gelenkarm-Roboter von Omron. © Omron Electronics

Bis 2020 soll es laut aktueller Studie der International Federation of Robotics weltweit rund 3,05 Millionen Industrieroboter geben – Tendenz steigend. Ihre wichtigsten Vorteile liegen dabei zweifelsohne auf der Hand: Eine automatisierte Produktion hilft, Abläufe zu verbessern, Mitarbeiter zu entlasten, Kosten zu sparen und Wettbewerbsvorteile zu schaffen. Doch welche Robotertypen und Kinematiken eignen sich für welchen Prozess? Welche Bereiche bieten die größten Ertragsmöglichkeiten für die Roboterautomation und welche Bedeutung hat die Bildverarbeitung? Die folgenden Ausführungen liefern Antworten.

Auswahlaspekte für die richtige Kinematiklösung

Wichtige Faktoren bei der Roboterwahl sind Reichweite, Tragkraft, Bewegungsanforderung und das Zusammenspiel mit der Bildverarbeitung. In erster Linie ist die benötigte Tragkraft des Roboters wichtig. Häufig wird nur das Produkt berücksichtigt, das bearbeitet werden soll. Doch auch Werkzeug oder Greifer müssen miteinbezogen werden. Ein weiterer Punkt sind die Bewegungsanforderungen. Dabei spielt nicht nur die einfache Bewegung einer Pick-and-Place-Anwendung eine Rolle, sondern auch bestehende Interferenzen zwischen dem Roboter und seiner Kinematik sowie andere Teile, die sich innerhalb der Zelle bewegen könnten.

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Die Art der Teileproduktion und die geforderte Durchlaufleistung sollten ebenfalls beachtet werden. Wie reproduzierbar muss der Roboter sein? Hier ist wichtig, dass Roboterhersteller oft von der Wiederholgenauigkeit sprechen, während Ingenieure dies eher vom Standpunkt der Präzision betrachten. Die Wiederholgenauigkeit eines Roboters umreißt die Fähigkeit (wenn einmal erlernt), zu der gewünschten Position zurückzukehren. Bei der Präzision geht es um die Fähigkeit, eine bestimmte Position digital einzugeben und den Roboter „präzise“ zu diesem Punkt im Raum zu bewegen. Dies umfasst sowohl einen Achsversatz als auch andere digital eingegebene Bewegungsparameter und variiert oftmals innerhalb des festgelegten Arbeitsbereichs einer mechanischen Einheit. Ein gutes Verständnis für Prozessanforderungen zusammen mit der Leistungsfähigkeit einer bestimmten Roboterlösung verlangt daher eine sorgfältige Einschätzung.

Die wichtigsten Robotertypen

Roboterkinematiken können in vier Hauptkategorien unterteilt werden: Kartesisch, SCARA, Gelenkarm und Delta/Parallel.

Kartesische Roboter: Die kartesische Kinematik ist in hohem Maße konfigurierbar, da diese Art der Kinematik vom Freiheitsgrad, über eine Einzelachse bis hin zu mehreren Bewegungsachsen alles beinhaltet. Angesichts der Einfachheit dieser Kinematik, sind die Konfiguration und das Einstellen des Taktes oder der Länge, verglichen mit den anderen Modellen, relativ einfach. Kartesische Roboter verfügen über mehrere optimierte Antriebe für eine hohe Leistungsfähigkeit und präzise Bewegungen. Bei diesen Antrieben handelt es sich entweder um einen Kugelspindelmechanismus oder um ein riemengetriebenes System. Der kartesische Roboter ermöglicht die Montage von kleinen Teilen bis hin zu einem extrem langen Teiletransfer, wie beispielsweise Hängekräne, die sich in Produktionshallen unter der Decke finden.

Ein SCARA-Roboter. © Omron Electronics

SCARA-Roboter: Der Aufbau eines SCARA-Roboters (Selective Compliance Assembly Robot Arm) ähnelt einem menschlichen Arm. Er wird auch als „horizontaler Gelenkarmroboter“ bezeichnet. Der SCARA-Roboter bietet einen zylinderförmigen Arbeitsbereich und arbeitet, im Vergleich zu kartesischen und Knickarmrobotern, deutlich schneller. SCARAs eignen sich für Pick and Place-Anwendungen und andere Handlingsprozesse. Sie liefern eine Wiederholgenauigkeit, die oftmals wesentlich höher ist als bei Knickarmrobotern. Sie werden normalerweise bei Applikationen mit einer geringeren Tragkraft unter zehn Kilogramm eingesetzt. Beispiele sind Anwendungen in Montage, Verpackung oder Materialhandling.

Ein Gelenkarm-Roboter von Omron. © Omron Electronics

Gelenkarmroboter: Die dritte Robotergruppe umfasst die Gelenkarmroboter, auch Knickarm-Roboter genannt. Sie haben einen kugelförmigen Arbeitsbereich. Auf Grund ihrer Gelenke und der höheren Anzahl an Freiheitsgraden bieten ihre Gelenkarme höchste Flexibilität. Es handelt sich um das größte Robotersegment und bietet zahlreiche Lösungen – vom Tischroboter bis zu sehr großen Maschinen. Gelenkarmroboter werden häufig bei prozessintensiven Applikationen wie Schweißen, Lackieren, Klebstoff- oder Dichtmittelauftrag, Montieren oder Materialhandling eingesetzt, bei denen sie ihre Gelenkigkeit und Geschicklichkeit voll ausspielen können.

Ein Parallel-/Delta-Roboter. © Omron Electronics

Delta-/Parallel-Roboter: Parallel-Roboter verfügen über einen zylindrischen Arbeitsbereich und werden oft bei Anwendungen eingesetzt, bei denen die Produkte während des Pick&Place-Vorgangs auf der gleichen Fläche verbleiben. In der Basis verbaute Motoren und massearme Gelenke erlauben extrem schnelle Beschleunigungen und erhöhen so die Durchlaufleistung. Beim Parallel-Roboter handelt es sich um eine Überkopfmontagelösung, die Zugriffsmöglichkeiten maximiert und Stellfläche reduziert. Diese Robotertypen sind speziell für High-Speed-Anwendungen und leichte Produkte konzipiert. Dank nicht vorhandener beweglicher Kabelbäume und zyklischer Belastung ist der Parallel-Roboter äußerst wartungsarm.

Flexibilität mit Bildverarbeitung

Mit Bildverarbeitungssystemen können die Anwendungsfelder von Robotern erweitert werden. © Omron Electronics

Bildverarbeitung wird immer häufiger angewendet, um die Produktivität der Roboterautomation in allen Industriebereichen zu verbessern. Bildverarbeitungssysteme bieten eine enorme Flexibilität für Applikationen, die keine Fixierungen oder Paletten für die Platzierung der Teile erfordern. Bildverarbeitung ermöglicht es dem System, ein Bild zu machen, die Platzierung und Ausrichtung des jeweiligen Teils zu berechnen und den Roboter mit einer errechneten Roboter-zu-Kamera-Transformation an das Teil heranzuführen, die durch einen automatisierten Kalibrierprozess erzielt wird. Die Verwendung eines Bildverarbeitungssystems erhöht die Flexibilität und reduziert die Kosten, da die Teile nicht fixiert werden müssen. Sie können dem Roboter wahllos vorgelegt werden, ohne diese vorab ausrichten oder auf eine Palette legen zu müssen, was zusätzlich Kosten spart. Diese Systeme beinhalten oft eine Trackingfunktion, die es dem Roboter ermöglicht, Teile von einem laufenden Band aufzunehmen. Dadurch wird der Produktionsvorgang noch weiter optimiert. Eine roboterintegrierte Bildverarbeitung macht eine Inspektion der Teile während des Bearbeitungsprozesses möglich. So können Inspektion oder Qualitätskontrolle parallel zum Bearbeitungsprozess durchgeführt werden, was wiederum die gesamten Taktzeiten reduziert und die Durchlaufleistung erhöht.

Die Zukunft der Roboter

Kollaborative Roboter können auch auf mobile Plattformen gesetzt werden. © Omron Electronics

Ständig wechselnde Verbrauchertrends führen zu immer kürzeren Produktlebenszyklen. Daher benötigen herstellende Unternehmen in Zukunft Produktionslinien, die für häufige Produktwechseln konzipiert sind. Hinzu kommt ein wachsender Fachkräftemangel, weshalb Produktionsunternehmen dazu übergehen, einfache und monotone Arbeitsvorgänge, wie Bestücken, Montieren oder Überprüfen zu automatisieren, damit die Mitarbeiterkapazitäten für kreativere Aufgaben frei werden.

Im Zuge von Industrie 4.0 werden klassische Industrieroboter zur neuen Generation der „Koboter“ weiterentwickelt. Kollaborative Roboter, die sicher mit Menschen zusammenarbeiten, spielen für eine flexible Fertigung eine essentielle Rolle. Moderne kollaborative Roboter (Cobots) lassen sich auch in Mobiloboter integrieren. Ein Beispiel ist die intelligente LD-Serie von Omron. Diese mobilen Roboter schließen bei Anwendungen, in denen das Augenmerk mehr auf Flexibilität als auf Geschwindigkeit liegt, eine Marktlücke in der Robotik.

Ein mobiler, selbstfahrender Roboter. © Omron Electronics

Cobots sind für die direkte Zusammenarbeit mit Menschen innerhalb eines festgelegten Kollaborationsraumes konstruiert. Sie finden Anwendung in den unterschiedlichsten Branchen. Ihre Aufgaben reichen von einfachen Pick-and-Place-Anwendungen beim Teilehandling, Sortieren und Palettieren über Maschinenbeschickung bis hin zum Kommissionieren, Verpacken und Prüfen.

Immer wichtiger wird zudem der Einsatz Künstlicher Intelligenz. KI auf Maschinenebene (at the edge) ist hiernei entscheidend für Echtzeitanwendungen. Produktionslinien und Maschinen werden mit Echtzeitsensoren überwacht, Daten mit hoher Geschwindigkeit gesammelt, verarbeitet und ausgewertet um Anomalien schnell zu erkennen. Dieser Ansatz bietet eine hohe Flexibilität und schnelle Reaktionszeiten.

Der Autor: Peter Lange, European Fixed Robotic Team, Business Development Manager bei Omron Electronics.

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