Industrieroboter

Allgemein

Ein Industrieroboter ist eine universelle, programmierbare Bearbeitungsmaschine. Diese ist für den Einsatz im industriellen Umfeld konzipiert (z.B. Automobilfertigung).

Sie besteht im Allgemeinen aus dem Manipulator und der Steuerung.

Einmal programmiert ist diese Maschine in der Lage, einen Arbeitsablauf autonom durchzuführen.

Ein Industrieroboter ist ein multifunktionaler Handhabungsautomat, der aus einer Reihe von starren Gliedern besteht, die miteinander durch Dreh- oder Schubgelenke verbunden sind. 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.

Der Ursprung der Industrieroboter ist in Reaktortechnik zu suchen, wo man schon früh von handgesteuerten Manipulatoren für Aufgaben innerhalb radioaktiv gefährdeter Räume verwendete.

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:

• Knick-Arm-Roboter mit Rotationsachsen (vergleichbar mit menschlichem Arm)
• SCARA-Roboter mit Rotationsachsen (alle Rotationsachsen parallel)
• Portalroboter mit Linearachsen (Bewegung in einem kartesischen Koordinatensystem x/y/z, vergleichbar Containerkran)

Anwendungsgebiete

Eingesetzt werden Industrieroboter im Bereich:

• Handling (z.B. Palettieren, Stapeln, Maschinenbestückung)
• Punkt und Bahnschweißen
• Druckfügen
• Kleben
• Messen und Testen
• Lackieren
• Schneiden mit Fräsern, Sägen, Wasserstrahl, Laser, Messern, Schneidbrenner, Plasma
• Bandschleifen
• Fräsen
• Polieren

Programmierung

Programmiert werden Industrieroboter oft im Teach-In Verfahren. Hierbei fährt der Programmierer den Roboter mit einer Steuerkonsole in die gewünschte Position und speichert diese in der Steuerung. Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis die gesamte gewollte Bewegung durch markante Punkte beschrieben ist.

So entsteht eine Abfolge von Raumpunkten, die der Roboter nacheinander abfährt. Für die Bewegung zwischen den einzelnen Punkten können Parameter eingegeben werden. So sind die Geschwindigkeit und die Beschleunigung einstellbar. Die Bewegung zwischen den Punkten kann auf einer geraden Linie, einer Kreisbahn, oder auf einer für den Roboter besonders günstigen Bahn erfolgen.

Nach dem Teachen kann die Bewegung vom Roboter autonom nachvollzogen werden.

Die meisten Robotersteuerungen erlauben auch eine weitergehende Programmierung. So kann das Verhalten des Roboters an äußere Einflüsse angepasst sein. (Beispiel: Verschiedene Bauteile werden durch Sensoren erkannt und vom Roboter unterschiedlich bearbeitet.)

Offline Programmierung

Eine Alternative zum Teach-In Verfahren ist die Offline-Programmierung.

Hier wird der Roboter an einem PC-Arbeitsplatz (oft auch Unix-Workstations) auf Basis von Konstruktionszeichnungen und Simulationen programmiert.

Der gesamte Bewegungsablauf wird dabei schon am PC in einer dreidimensionalen Bildschirmumgebung festgelegt. Dabei sind in der Regel die Umgebung des Roboters und sein Werkzeug ebenfalls abgebildet.

Dadurch können verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden:

• Sind die gewünschten Arbeitspunkte überhaupt erreichbar?
• Wie lange benötigt der Roboter für diesen Bewegungsablauf
• Kommt es bei diesem Programm zu Kollisionen mit der Umgebung?

Vorteile der Offline-Programmierung in Verbindung mit Simulation:

• Die Programmierung des Roboters kann bereits erfolgen wenn dieser noch gar nicht aufgebaut ist.
• Planungs- und Konstruktionsfehler können frühzeitig erkannt werden. Erforderliche Änderungen können in diesem Stadium noch am Computer vorgenommen werden und es ist kein teurer Umbau auf der Baustelle notwendig
• Umfangreiche Änderungen an Roboterprogrammen sind teilweise wesentlich einfacher möglich als direkt am Roboter
• In der 3D-Umgebung am Computer kann jeder Teil der Roboterumgebung von allen Seiten betrachtet werden. In der Realität sind Arbeitspunkte des Roboters oft verdeckt oder schwer zugänglich.

Das in der Offline-Programmierung erstellte Programm wird in den Industrieroboter per Datenträger oder Netzwerk übertragen und kann dann sofort ausgeführt werden. Normalerweise sind aber noch einige Anpassungen erforderlich, da die simulierte Umgebung niemals hundertprozentig mit der Realität übereinstimmt. (Kalibrierung)

Koordinatensysteme

Die Position eines Industrieroboters wird über seinen so genannten TCP (Tool Center Point) beschrieben. Dies ist ein gedachter Referenzpunkt, der sich an geeigneter Stelle am Werkzeug des Roboters befindet. Der TCP legt die Lage und Ausrichtung des Werkzeugs fest.

Die Bewegung eines Industrieroboters kann in verschiedenen Koordinatensystemen beschrieben werden:

• Achswerte: Für jede (lineare oder rotatorische) Achse des Roboters wird angegeben, in welcher Stellung sie sich befindet. Daraus ergibt sich eine eindeutige Position des Roboters. Sobald rotatorische Achsen vorhanden sind, ist es jedoch schwierig, den TCP durch Angabe von Achswerten an die gewünschte Lage zu bringen.
• Werkzeugkoordinaten: Die Lage und Ausrichtung des TCP wird durch den Programmierer vorgegeben. Die Steuerung berechnet, welche Stellung die einzelnen Roboterachsen einnehmen müssen (Denavit-Hartenberg Transformation). Bei manchen Roboterkinematiken kann es dabei vorkommen, daß bei gleicher Lage des TCP mehrere Positionen des Roboters möglich sind. (siehe auch: Inverse Kinematik).

Hersteller

Wichtige Hersteller von Industrierobotern sind u.a. ABB, Fanuc, KUKA, Yaskawa/Motoman, Stäubli, Reis und SEF Fast jeder Hersteller setzt eigene Steuerungen ein, die sich in ihrer Programmierung, Leistungsfähigkeit und der erzielbaren Bahngenauigkeit des Roboters unterscheiden.

In Großproduktionen, wie z.B. der Automobilfertigung werden oft nur Roboter eines einzigen Herstellers eingesetzt. Das verkleinert die Zahl der auf Vorrat zu haltenden Ersatzteile. Außerdem ist es dadurch nicht notwendig, die Mitarbeiter auf verschiedenen Systemen zu schulen.

Forschungsinstitute

Forschungsinstitute im deutschsprachigem Raum sind u.a. (in alphabetischer Reihenfolge):

• Fraunhofer IPA
• Institut für Roboterforschung
• MGH