Industrieroboter

Industrielle Roboter

Nicht nur in der Automatisierungstechnik, sondern in allen Bereichen der Industrie werden Industrieroboter eingesetzt. Die Industrieroboter automatisieren sich wiederholende Prozesse. Die Industrieroboter, hier in der Türenfertigung eines deutschen Automobilherstellers, können lebensbedrohlich sein. Aufgrund der sehr guten Materialauswahl und der entsprechenden Abstimmung gibt die Anlage einen umfassenden Überblick über den Bereich der Industrieroboter. Im Zeitalter fortschreitender Automatisierung sind Experten für die Programmierung und Steuerung moderner Industrieroboter gefragt.

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Der Industrieroboter (IR, auch: Industriemanipulator) ist eine universell einsetzbare, speicherprogrammierbare Anlage zum Handhaben, Montieren oder Bearbeiten von Teilen. Sie sind für den Betrieb im Industriebereich (z.B. Automobilproduktion) ausgelegt. Ein Industrieroboter setzt sich in der Regel aus dem Handhabungsgerät (Roboterarm), der Steuereinheit und einem Effektgerät (Werkzeug, Greifzange, etc.) zusammen. Häufig sind sie mit unterschiedlichen Sensorik ausgestattet.

Die Ursprünge der Industrieroboter liegen in der Reaktortechnologie, wo schon frühzeitig manuelle Handhabungsgeräte für Arbeiten in strahlungsgefährdeten Bereichen (heiße Zelle) zum Einsatz kamen. Der Industrieroboter wurde 1954 von George Devol entwickelt, der in den USA ein Patentverfahren für einen manipulierbaren Roboter einreichte. Die Firma hat den Industrieroboter UIMATE entwickelt, der 1961 bei General Motors zum ersten Mal in einer Fertigungslinie zur Entnahme und Trennung von Spritzgießteilen zum Einsatz kam.

Im Jahr 1959 wurde der erste handelsübliche Industrieroboter von der Planet Corporation eingeführt. Für einfachere Aufgabenstellungen wie das Widerstands-Punktschweißen war dieser Automat bereits bestens gerüstet. Dennoch beruhte das Prinzip der Planet Corporation noch auf einer rein mechanisch gesteuerten Nocken- und Endschaltertechnik, während das Unternehmen bereits über eine nummerische Ansteuerung verfügt. Erste Industrieroboter in der Automobilbranche wurden mit Hydraulikzylindern als Antriebsquelle ausgerüstet.

Ab 1967 wurden in Japan und ab 1970 in Deutschland bei Mercedes-Benz Hydraulik-Industrieroboter in der Automobilfertigung verwendet. Die Industrieroboter werden in unterschiedlicher Ausführung und von unterschiedlichem Hersteller kommen. Die Roboterkinematik zeichnet sich aus durch: Parallelkinematik: Dreieckroboter mit 3 am Rahmen befestigten Drehachsen und räumliche Parallelogramm-Führung der Arbeitsbühne. Ein wichtiger Parameter von Industrie-Robotern ist die Nutzlast.

Eine besondere Art ist der Kollaborationsroboter, der so konzipiert ist, dass er mit Menschen in einem Zimmer ohne Trennschutz arbeiten kann. Industrieroboter werden in vielen Produktionsbereichen verwendet, z.B. Die Konstruktion eines Industrie-Roboters (IR) enthält: Dazu ist eine entsprechende Programmerstellung erforderlich. Drives: Der Frequenzumrichter treibt die Kettenglieder der Kinematikkette an und umfasst sowohl Motoren als auch Getriebemotoren und Steuerungen.

Das System setzt sich aus rotierenden und verschiebbaren Wellen zusammen. Greifersysteme: Ein Greifersystem verbindet das Werkstück mit dem IR. Das Handhabungsgerät oder der Robotarm ist eine multifunktionale Handhabungsmaschine, die aus einer Serie von festen Verbindungen zusammengesetzt ist, die durch Dreh- oder Druckgelenke untereinander gekoppelt sind, deren Verbindungen durch geregelte Motoren verstellbar sind.

Das eine Ende dieser "Gliederkette" ist die Unterlage, das andere Ende ist freilaufend und mit einem Gerät oder einer Greifzange zur Ausführung von Fertigungsarbeiten ausgestattet. Im Regelfall erfolgt eine lückenlose Integration von Baugruppen, mit denen Fremdsensoren, wie z.B. ein Kamera-System oder ein Kraft-/Drehmoment-Messsystem, in das Roboter-Programm integriert werden können.

Dadurch kann sich das Roboterverhalten an externe Gegebenheiten anpassen: Beispiel: Komponenten können von einem Sensor, z.B. einer Fotokamera, erfasst und vom Industrieroboter einzeln aufbereitet werden. "Pick-and-Place "-Roboter können eine Bonbonschachtel aus einem Schüttgutgemisch aus verschiedenen Schokoladen richtig abfüllen. Beispiel: Je nach Baugröße können unterschiedliche Befestigungsschrauben mit einem Drehmomentgeber angezogen werden.

Dieser steuert das Zusammenwirken des Industrieroboters mit der umliegenden Anlage. Das Programmieren des Rotors geschieht entweder am oder mit dem selbst. Die Prozeduren der Online-Programmierung umfassen: Im Lernvorgang (kurz: Teach-In) bringt der Programmgeber den Robot mit einem Bedienpult in die richtige Pos. Die Programmsequenz ist, dass sich der Robot selbstständig zu allen abgespeicherten Punkten bewegt.

Es gibt prinzipiell zwei unterschiedliche Ausführungen beim Bewegen des Roboters: P2P: Punkt-zu-Punkt: Der Robot bewegt sich von n nach n+1, wo die für ihn vorteilhafteste Bahn ausgewählt wird. CP: Continuous Path: Hier wird der Industrieroboter aufgefordert, sich nicht nur von einem Ort zum anderen zu bewegen, sondern auch einem bestimmten Weg zu folgen. 2.

Das Programmiergerät verfährt auf dem vorgesehenen Weg, indem es den Roboterarm direkt führt. Exakt diese Bewegungsabläufe werden durch den Einsatz des Rotors wiedergegeben. Dies ist für die Roboterprogrammierung nicht erforderlich, das Programm wird auf einem vom Industrieroboter getrennten Rechner entwickelt, so dass der Rechner während der Entwicklungsphase weiterarbeiten kann.

Offlineprogrammierung beinhaltet: Die Programmerstellung kann ohne den Einsatz des Routers erfolgen. Beim CAD-unterstützten Programmieren wird der Automat an einem PC-Arbeitsplatz (oft auch Unix-Arbeitsplätzen) anhand von Zeichnungen und Simulationsrechnungen einprogrammiert. Im Regelfall wird auch die Umwelt des Industrieroboters und seines Werkzeugs dargestellt.

Wurde das Bauteil oder die Werkzeuge verschoben? Wieviel Zeit braucht der Automat für diese Bewegung? Prüfung von Varianten, z.B. ein "kleinerer", preiswerterer Automat kann zusätzlich zum ursprünglichen Planungsmodell verwendet werden. Falls der Automat noch nicht eingerichtet ist, kann er bereits programmiert werden. Tatsächlich sind Roboterarbeitsplätze oft verborgen oder schwierig zu erreichen.

Die flexiblen Zuleitungen (Druckluftversorgung, Kühlwasserschlauch, Schweißstrom- oder Klebstoffversorgung, Bolzenzufuhr beim Bolzenschweißen) können nur ungenügend am Rechner dargestellt werden, verursachen aber beträchtliche Einschränkungen bei der Bewegung des echten Industrie-Roboters. Die in der CAD-gestützten Programmerstellung erstellten Programme werden per Datenübertragung oder über das Netz an den Industrieroboter übergeben und können anschließend direkt ablaufen. Der Programmtext wird mit natürlicher Programmiersprache und einem Mikrofon programmiert.

Der Werkzeugplatz eines Industrie-Roboters wird durch seinen so genannten Werkzeugmittelpunkt (TCP) bezeichnet. Das ist ein imaginärer Bezugspunkt, der sich an einer geeigneten Stelle des Werkzeugs befinden kann. Durch die historische Weiterentwicklung der Industrieroboter war es gängig, eine Stabelektrode einer Punktschweisszange als TCP zu bezeichnen. Zur Beschreibung der Stellung des Roboterwerkzeugs reicht es aus, die Stellung und Ausrichtung des TCP im Weltraum zu bestimmen.

Für jede Einzelachse (Linear- oder Drehachse) des Roboter wird angezeigt, in welcher Position sie sich aufhält. Nur so kann die Position oder Anordnung der Kinematikkette des Roboter dargestellt werden Räumlich Das TCP oder das Werkzeug-Koordinatensystem kann nur räumlich dargestellt werden.

Über Transformierungen wird zwischen der achsenspezifischen Bezeichnung des Roboter und der raumspezifischen Bezeichnung umgeschaltet. Der Programmgeber bestimmt, wo im Saal das Werkzeug des Industrieroboters bewegt und wie es sich ausrichtet. Zur räumlichen Darstellung der Roboterposition existieren unterschiedliche Koordinaten-Systeme, die der Anwender je nach Anforderung ausnutzen kann.

Die Weltkoordinaten (WORLD) entstehen in der Regel im Drehpunkt der ersten Hauptachse (Basisachse, Grundrahmen). In der Regel wird das Basis-Koordinatensystem (BASE) auf dem WerkstÃ?ck oder dem WerkstÃ?ckhalter zum Einlernen von Punkt-Koordinaten in Relation zum WerkstÃ?ck oder dem WerkstÃ?ckhalter eingesetzt. Mehrere dieser Koordinaten-Systeme können im Robot-System erstellt und namentlich abspeichert werden.

Die Werkzeugkoordinaten befinden sich auf dem Roboterwerkzeug. Die Ausrichtung wird durch die sogenannte Auftreffrichtung des Werkzeugs (+Z) und eine zweite, freie Wahl der Werkzeugsachse bestimmt. Die Position und Ausrichtung des Koordinatensystems des Werkzeugs wird als Translations- und Rotationsverschiebung zur Mitte der Flansche bestimmt. Da sich das Koordinatensystem des Werkzeugs mit dem Werkstück verfährt, ist es immer gleich, auch wenn seine Position im Zwischenraum variabel ist.

Ist der TCP sinnvoll definiert, kann der Programmgeber das Gerät um seinen Betriebspunkt herum wenden oder Linearbewegungen ausführen, die exakt der Werkzeugposition entsprechen. Im Normalfall können in einer Steuerung mehrere Werkstückkoordinatensysteme angelegt werden, die über eine Werkzeugsnummer angewählt werden können. Sie können parallel am Robot angebracht werden, was jedoch zu Gewichts- und Zugänglichkeitsproblemen führen kann.

Als Alternative kann ein Wechselsystem eingesetzt werden, bei dem der Industrieroboter verschiedene Geräte an- und abkoppelt. Dabei werden die Stellen des Roboterprogramms nicht im Weltraum fixiert, sondern "kleben" an dem vom Industrieroboter verfahrenen Teil und werden zum stationären Gerät verfahren. In diesem Falle fährt der Industrieroboter beispielsweise nicht den Zangengreifer zum Bogen, sondern leitet den in einem Zangengreifer gehaltenen Bogen zum stationären Zangengreifer.

Das Koordinaten-System ist mit dem WerkstÃ?ck, das auf einem einfachen 1- bis 4-Achsen-Manipulator montiert ist, fest miteinander vernetzt. Wahlweise kann das Teil auch von einem oder mehreren Industrierobotern bearbeitet werden, die dann mit dem verfahrenden Werkzeugroboter kommunizieren müssen. Mit beiden Ausführungen können mehrere Maschinen parallel an ein und demselben Bauteil mitarbeiten.

Die Basiskoordinaten können vom Programmiergerät beliebig im Weltraum platziert werden, z.B. in einem Winkel zu einem Gerät. Position und Ausrichtung sind von den anderen Systemen getrennt, verweisen aber mathematisch auf das Welt-Koordinatensystem. Abhängig von der Position des Zielpunkts und der Robotermechanik gibt es oft mehrere Achsenkonfigurationen, die zur Erreichung der angestrebten Position des Werkzeugs beitragen.

Das Umschalten zwischen zwei verschiedenen Ausführungen kann ansonsten zu einer sehr großen Roboterbewegung für minimalen Werkzeugtransport führe. Die Einzigartigkeit ist dadurch charakterisiert und zu erkennen, dass zwei Roboterachsen kollineare (ausgerichtete) sind. Hierbei sind Achsrichtung 1 und Achsrichtung 6 ausgerichtet Die Regelung kann eine um die vertikale Achsrichtung 1 oder 6 durchzuführende Drehung nicht einmalig zuweisen.

Ein anderes Sternbild ist beim Nullenkreuz der 5. Welle angegeben. Es gibt hier eine unendliche Anzahl von Achspositionen, die zur selben Werkzeugposition oder Trajektorien führt, in denen mehrere Äxte mit unbegrenzter Drehzahl aneinander gereiht werden mÃ?ssen. Transformierungen im Sinn der Roboter-Programmierung sind die Übertragung der Bezeichnung (Position und Orientierung) eines Objekts von einem Referenzsystem (Koordinatensystem) auf ein anderes.

So können z. B. die Position und Ausrichtung des im Welt-Koordinatensystem dargestellten Werkzeugs in eine Repräsentation im Werkstück-Koordinatensystem umgewandelt werden. Schon in den 1950er Jahren hat Isaac Asimow in seinen Science-Fiction-Romanen drei Regeln aufgestellt, die im Wesentlichen festlegen, dass ein Mensch nicht durch einen Robot oder dessen Inaktivität geschädigt werden darf.

Für den Menschen sind die von Robotern ausgehenden Gefährdungen oft vollkommen unvorhersehbar, komplexe Bewegungsmuster und starke Beschleunigung, verbunden mit gewaltigen Belastungen. Die Arbeit neben einem ungeschützten Industrieroboter kann rasch zum Tod führen. Erste Schutzmassnahme ist daher meist die Trennung des Bewegungsraumes zwischen Mensch und Industrieroboter durch Schutzroste mit abgesicherten Schutzgittern oder -türen.

Wird die Schutztüre geöffnet oder die Sicherheitsschranke unterbrochen, stoppt der Melder augenblicklich. Bei speziellen Betriebsarten, bei denen sich Menschen in den Gefahrbereich des Automaten begeben müssen (z.B. beim Teachen), muss ein Freigabeschalter aktiviert werden, um explizit eine Bewegung des Automaten zuzulassen. Zugleich müssen die Robotergeschwindigkeiten auf ein ungefährliches Niveau beschränkt werden.

Jüngste Weiterentwicklungen (Assistenzroboter) weisen in die richtige Bewegungsrichtung, dass der Automat mit Hilfe von Sensoren die Anfahrt eines Fremdkörpers oder eines Menschen frühzeitig erfasst und automatisch abbremst, anhält oder gar zurückzieht. Dadurch wird es zukünftig möglich sein, mit dem in unmittelbarer Nachbarschaft befindlichen Robotern zusammenzuarbeiten. Durch eine Gefährdungsanalyse wird die Gefährdung durch den Robot oder Zusatzeinrichtungen ermittelt und eine geeignete Schutzvorrichtung konstruiert.

Namhafte Roboterhersteller sind: Nahezu jeder Roboterhersteller verwendet eigene Controller, die sich in der Programmierbarkeit, Performance und der erreichbaren Weggenauigkeit des Routers auszeichnen. Hinzu kommen die zahlreichen Anlagenhäuser, die Industrieroboter in individuell an die Kundenbedürfnisse angepasste Systeme umsetzen. Bei Großserien, wie z.B. im Automobilbau, kommen häufig Industrieroboter von nur einem Produzenten zum Einsatz.

Firmen wie VW, die einst eine eigene Roboterfertigung hatten, haben diese mit wachsender Internationalisierung aufgegeben und beschaffen ihre Nachfrage nach Industrie-Robotern nun auswärts. Der Carl Hanser Verlagshaus, 2010, ISBN 978-3-446-41969-8 Edwin Kreuzer, Jan-Bernd Lugtenburg, Hans-Georg Meißner, Andreas Truckenbrodt: Industrieroboter: Technologie, Kalkulation und anwendungsorientiertes Design. Robotik in der Medizintechnik. Eberhard Fischer (TB), Frankfurt 2003, ISBN 978-3-596-15552-1. Wolfgang Weber: Industrieroboter.

Daníel Ichbiah: Robotern. Industrieroboter, S. 13. Die ABB GmbH ? Die Erfolgsgeschichte der Industrieroboter.

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