Ein Industrieroboter (IR, auch: Industrieller Manipulator) ist eine universelle, programmierbare Maschine zur Handhabung, Montage oder Bearbeitung von Werkstücken. Diese Roboter sind für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert (z. B. Automobilfertigung). Sie gehören in die Maschinenbau-Disziplin Automatisierungstechnik und werden dort oft auch als Handhabungssysteme bezeichnet. Der Industrieroboter besteht im Allgemeinen aus dem Manipulator (Roboterarm), der Steuerung und einem Effektor (Werkzeug, Greifer etc.). Oft werden Roboter auch mit verschiedenen Sensoren ausgerüstet. Einmal programmiert ist die Maschine in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen, oder die Ausführung der Aufgabe abhängig von Sensorinformationen in Grenzen zu variieren.
Geschichte mini|Schweißroboter ZIM 10 des VEB Zentraler Industrieanlagenbau der Metallurgie in der DDR, 1983 Der Ursprung der Industrieroboter ist in der Reaktortechnik zu suchen, wo man schon früh handgesteuerte Manipulatoren für Aufgaben innerhalb radioaktiv gefährdeter Räume (Heiße Zelle) verwendete. Raymond Goertz konstruierte 1951 in diesem Zusammenhang einen Teleoperator-Arm, der es erlaubte aus einer räumlichen Distanz Operationen an z. B. radioaktivem Material durchzuführen. mini|links|George Devol Erfunden wurde der Industrieroboter offiziell im Jahr 1954 von George Devol, der in den USA ein Patent für einen programmierbaren Manipulator anmeldete. Zusammen mit Joseph F. Engelberger gründet Devol 1956 die weltweit erste Robotikfirma Unimation. Das Unternehmen entwickelte den Industrieroboter Unimate, der in einer Produktionslinie erstmals 1961 bei General Motors für das Entnehmen und Vereinzeln von Spritzgussteilen eingesetzt wurde. Der erste kommerziell verfügbare Roboter wurde 1959 von der Firma Planet Corporation vorgestellt. Dieser Roboter war schon für einfache Aufgaben wie das Widerstandspunktschweißen geeignet. Allerdings basierte das Konzept von Planet Corporation noch auf einer mechanischen Steuerung mittels Kurvenscheiben und Endschalter, während Unimate schon über eine numerische Steuerung verfügte.
Die ersten Industrieroboter in der Automobilindustrie waren mit hydraulischen Zylindern als Antriebsquellen ausgestattet. Hydraulische Industrieroboter wurden in Japan ab 1967 und in Deutschland bei Mercedes-Benz in der Automobilproduktion ab 1970 eingesetzt. Mitte der siebziger Jahre setzten sich elektrische Stellantriebe mit Mikroprozessorsteuerung durch, die auch heute noch fast ausschließlich Verwendung finden.
Im Jahr 1973 baute der deutsche Robotikpionier KUKA den weltweit ersten Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Achsen, bekannt als Famulus. achiviert vom Original KUKA-Roboter.de: 1973 Der erste KUKA-Roboter Deutsch, abgerufen am 18. Mai 2008 Ein Jahr später 1974 begann Yaskawa mit der Herstellung von Robotern,John Mortimer, Brian Rooks: The International Robot Industry Report. Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 3-662-13174-9, S. 215 (). und die schwedische ASEA (heute ABB) stellte ihren vollständig elektrisch angetriebenen Roboter (IRb6) vor.
Typen Industrieroboter werden in unterschiedlichen Ausführungen und von verschiedenen Herstellern geliefert. Sie werden in der Regel als standardisiertes Grundgerät angeschafft und mit anwendungsspezifischen Werkzeugen an ihre jeweilige Aufgabe angepasst.
Man unterscheidet Roboter anhand der verwendeten Kinematik: Serielle Kinematik: Gelenkarmroboter: 5- und 6-Achs-Knickarmroboter mit 5 bzw. 6 Rotationsachsen (vergleichbar mit menschlichem Arm) 7-Achs-Knickarmroboter mit 7 Achsen Dualarm-Roboter mit 15 Achsen (haben neben zwei 7-achsigen Armen eine weitere Rotationsachse) Palettierroboter mit 2 oder 4 angetriebenen Rotationsachsen und mechanischer Sperrung der Handgelenkorientierung SCARA-Roboter mit 3 parallelen Rotationsachsen und einer Linearachse Portalroboter mit 3 Linearachsen (Bewegung in einem kartesischen Koordinatensystem x/y/z, vergleichbar Containerkran) und eventuell einer Rotationsachse direkt am Greifer. Parallele Kinematik: Delta-Roboter mit 3 gestellfest montierten Rotationsachsen und räumlicher Parallelogrammführung der Arbeitsplattform. Hexapod-Roboter (griech. „Sechsfüßer“) mit 6 Linearachsen, oft auch bei Flugsimulatoren verwendet (Bild). CoreXY mit zwei linearen Achsen (zwei Schrittmotoren, zwei Antriebsriemen), minimiert die bewegte Masse, häufig bei 3D-Druckern in Verwendung H-Bot mit zwei linearen Achsen (zwei Schrittmotoren, ein Antriebsriemen)
Eine wichtige Kenngröße von Industrierobotern ist die Traglast. Diese beschreibt die Masse, die am Ende des Manipulators maximal befestigt werden kann. Bei Gelenkarmrobotern gibt es dabei zurzeit eine Bandbreite von 0,5 bis zu 2300 Kilogramm.Gelenkarmroboter M-2000iA/2300. In: Produkte, 2020. Fanuc. Auf IndustryArena.com, abgerufen am 3. November 2020. Außerdem sind die Dynamik und die Genauigkeit entscheidende Größen.
Einen besonderen Typ stellt der Kollaborative Roboter dar, der so gestaltet ist, dass er ohne trennende Schutzeinrichtung mit Menschen in einem Raum zusammenarbeiten kann. Dies eröffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten, bringt aber auch neue Anforderungen an das Sicherheitskonzept mit sich, was zu Einschränkungen in Bezug auf die Traglast, Taktzeit etc. führen kann.
Anwendungsgebiete mini|Gelenkarmroboter mit Schweißpistole (2004) Eingesetzt werden Industrieroboter in vielen Bereichen der Fertigung, so z. B.
als Fügeroboter zum Druckfügen Kleben und Abdichten Rollfalzen
als Handhabungseinrichtung zum Maschinen bestücken (Bestückungsroboter) Montieren Palettieren (Palettierer) Stapeln (Stapelroboter) Teile entnehmen (Entnahmeroboter) Verpacken
als Lackierroboter zum Lackieren oder als Roboter zum Polieren als Messroboter zum Messen und Testen als Schleifroboter zum Bandschleifen
als Schneidroboter zum Fräsen, Sägen, Wasserstrahlschneiden oder mit Laser, Messer, Schneidbrenner oder Plasma
als Schweißroboter zum Bahnschweißen (Lichtbogen) Laserstrahlschweißen Bolzenschweißen Widerstandsschweißen (Punktschweißen)
Aufbau und Struktur mini|hochkant=1.8|Struktur eines IR
Die Struktur eines Industrieroboters (IR) beinhaltet: Steuerung: Sie überwacht und gibt die Bewegung und Aktionen des IR vor. Dies setzt eine Programmierung voraus. Antriebe: Der Antrieb bewegt die Glieder der kinematischen Kette und besteht aus Motor, Getriebe und Regelung. Der Antrieb kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. interne Sensorik: Diese liefert Informationen über die Stellung der kinematischen Kette. Sie wird von der Steuerung zum Abgleich zwischen Soll- und Ist-Position verwendet. Interne Sensoren können beispielsweise inkrementale Drehgeber, Interferenzmuster oder Lichtschrankenfunktionen sein. Kinematik: Sie stellt die physische Realisierung der lasttragenden Struktur dar und schafft die räumliche Zuordnung zwischen Werkzeug/Werkstück und Fertigungseinrichtung. Sie besteht aus rotatorischen und translatorischen Achsen. In der Regel sind mindestens 3 Freiheitsgrade erforderlich, um jeden Raumpunkt erreichen zu können. Das erfordert mindestens 3 Bewegungsachsen. Greifsysteme: Ein Greifsystem stellt die Verbindung zwischen Werkstück und IR her. Dies kann über Kraftpaarung, Formpaarung oder Stoffpaarung erfolgen. externe Sensorik: Sie gibt dem IR eine Rückmeldung über die Umgebung. Sie ermöglicht damit eine flexible Reaktion auf nicht geplante Veränderungen. Externe Sensoren können zum Beispiel Bildverarbeitungssysteme (z. B. Laser Lichtschnittsysteme), Triangulationssensoren, Lichtschrankenfunktionen und Ultraschallsensoren sein. mini|Werkzeugschnellwechselsystem bestehend aus Roboterseite, Werkzeugseite und Werkzeugablage optionale Werkzeugschnellwechselsysteme: sie ermöglichen einen programmgesteuerten Werkzeugwechsel z. B. beim Schweißen, Schneiden, Fügen, Palettieren, Kleben. Die in der Regel modular aufgebauten Schnellwechselsysteme bestehen aus zumindest einer Roboterseite, mehreren Werkzeugseiten und einer entsprechenden Anzahl an Werkzeugablagen. Je nach Einsatzgebiet sind die Werkzeugwechsler mit Medienkupplungen (Wasser, Hydraulik, Luft), Elektro-Signalsteckern (LWL, Daten-Bus) und Elektro-Leistungssteckern ausrüstbar.
Manipulator
Der Manipulator oder Roboterarm ist ein multifunktionaler Handhabungsautomat, der aus einer Reihe von starren Gliedern besteht, die miteinander durch Dreh- oder Schubgelenke verbunden sind, wobei die Gelenke durch gesteuerte Antriebe verstellt werden können. Ein Ende dieser „Gliederkette“ ist die Basis, während das andere Ende frei beweglich ist und mit einem Werkzeug oder Greifer zur Durchführung von Produktionsarbeiten bestückt ist.
Programmierung Zur Erstellung von Roboterprogrammen gibt es die Verfahren Online-Programmierung und die Offline-Programmierung, die oft auch kombiniert eingesetzt werden.
Die meisten modernen Robotersteuerungen enthalten eine komplexe Programmierumgebung, in die noch weitere Werkzeuge integriert sein können. So besteht in der Regel eine nahtlose Einbindung von Modulen, mittels denen externe Sensoren, wie. z. B. ein Kamerasystem oder ein Kraft-/Drehmoment Messsystem, in das Roboterprogramm eingebunden werden können. So kann sich das Verhalten des Roboters an äußere Einflüsse anpassen:
Beispiel: Bauteile können mittels Sensoren, wie einer Kamera, erkannt werden und vom Roboter individuell bearbeitet werden. „Pick-and-Place“ (= Nehmen und Platzieren) Roboter können aus einem gemischten Schüttgut, bestehend aus unterschiedlichen Pralinen, eine Bonboniere-Schachtel korrekt befüllen.
Beispiel: Verschiedene Schrauben können mittels eines Drehmomentgebers abhängig von ihrer Größe befestigt werden.
Die Robotersteuerung ist häufig an eine SPS angeschlossen. Diese regelt das Zusammenspiel zwischen dem Roboter und der umgebenden Anlagentechnik. Mit dem Technologiestandard Standard Robot Command Interface (SRCI) kann jeder kompatible Roboter über jede kompatible SPS programmiert werden.
Roboterprogrammiersprachen +HerstellerProgrammierspracheBedienfläche am TouchpanelSRCI-kompatibelOmronV+ABBRAPIDin ArbeitFANUCKarelin ArbeitKUKAKRLjaYaskawa MotomanInformjaStäubliVAL3jaUniversal Robots (UR)URScriptPolyscopejaCodesysjaEpsonSPEL+in ArbeitCOMAUPDL2jaJAKAJAKA programming scriptneinDensoPac (RC7) & PacScript (RC8)MitsubishiMELFA-Basicin ArbeitKawasakiASjaTechman Robot TMscriptin Arbeit
Online-Programmierung Die Programmierung des Roboters erfolgt direkt am oder mit dem Roboter selbst.
Zu den Verfahren der Online Programmierung zählen: Teach-In-Verfahren Playback-Verfahren manuelle Eingabe über Tasten und Schalter (veraltet)
Teach-In-Verfahren
Beim Teach-In-Verfahren (kurz: Teachen) fährt der Programmierer den Roboter mit einer Steuerkonsole in die gewünschte Position. Alle so erreichten Koordinaten (Punkte) werden in der Steuerung gespeichert. Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis der gesamte Arbeitszyklus einmal durchlaufen ist.
Playback-Verfahren Der Programmierer fährt durch direktes Führen des Roboterarms die vorgesehene Bahn ab. Der Roboter wiederholt genau diese Bewegungen. Diese Methode wird häufig bei Lackierrobotern eingesetzt.
Playback-Verfahren mit 3D-Messarmen (mobile Koordinatenmeßsysteme KMG). Während des Führens des KMG entlang der Bauteilkontur werden Koordinaten aufgezeichnet und später in ein Roboterprogramm konvertiert.
Offline-Programmierung
Zur Programmierung des Roboters wird dieser nicht benötigt, die Programmentwicklung erfolgt Offline an einem vom Roboter unabhängigen Computer, während der Entwicklung kann deshalb der Roboter weiter betrieben werden, es gibt keine Stillstandzeiten.
Zu den Verfahren der Offline-Programmierung zählen: Textuelle Programmierung CAD-gestützte Programmierung Makroprogrammierung Akustische Programmierung
Textuelle Programmierung