Roboter Industrie

Historie">Edit | | | Quellcode bearbeiten]>

Der Industrie-Roboter (IR, auch: Industrie-Manipulator) ist eine universell einsetzbare, frei konfigurierbare Anlage zum Handhaben, Montieren oder Bearbeiten von Werkstueck. Die Roboter sind für den Betrieb im Industriebereich (z.B. Automobilproduktion) ausgelegt. In der Regel setzt sich der Industrie-Roboter aus dem Handhabungsgerät (Roboterarm), der Steuereinheit und einem Effektgerät (Werkzeug, Greifzange, etc.) zusammen. Roboter sind oft mit unterschiedlichen Sensorik ausgestattet.

Die Ursprünge der Industrie-Roboter liegen in der Reaktortechnologie, wo schon frühzeitig manuelle Handhabungsgeräte für Arbeiten in strahlungsgefährdeten Bereichen (heiße Zelle) eingesetzt wurden. Der Industrie-Roboter wurde 1954 von George Devol entwickelt, der in den USA ein Patentverfahren für einen manipulierbaren Roboter einreichte. Gemeinsam mit Joseph F. Engelberger gründete Devol 1956 das erste Roboterunternehmen der Welt, Unimation.

Entwickelt wurde der Industrie-Roboter UIMATE, der 1961 bei General Motors zur Entnahme und Trennung von Spritzgießteilen zum Einsatz kam. Im Jahr 1959 wurde der erste handelsübliche Roboter von der Planet Corporation eingeführt. Der Roboter war bereits für einfachere Aufgabenstellungen wie das Widerstands-Punktschweißen einsetzbar. Dennoch beruhte das Prinzip der Planet Corporation noch auf einer rein mechanisch gesteuerten Nocken- und Endschaltertechnik, während es sich bei den Unimates bereits um eine numerisch gesteuerte Anlage handelte.

Erste Industrie-Roboter in der Automobilbranche wurden mit Hydraulikzylindern als Antriebsquelle ausgerüstet. Ab 1967 wurden in Japan und ab 1970 in Deutschland bei Mercedes-Benz in der Automobilfertigung Hydraulik-Industrie-Roboter verwendet. Industrie-Roboter werden in unterschiedlicher Ausführung und von unterschiedlichem Hersteller kommen. Die Roboter zeichnen sich durch die verwendete kinematische Struktur aus: Parallelkinematik: Delta-Roboter 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. Industrie-Roboter 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 umfasst Rotations- und Translationsachsen. Greifersysteme: Ein Greifersystem verbindet das Werkstück mit dem IR. Das Schnellwechselsystem, in der Regel in Modulbauweise, umfasst mindestens eine Seite des Roboters, mehrere Seiten des Werkzeugs und eine entsprechende Zahl von Werkzeugfächern.

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.

Es gibt Online-Programmierung und Offline-Programmierung Methoden zur Erzeugung von Roboter-Programmen, die oft in Kombination verwendet werden. Modernste Roboter-Steuerungen beinhalten eine aufwändige Programmierungsumgebung, in die weitere Tools eingebaut werden können. 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 miteinbezogen werden.

Dadurch kann sich das Roboterverhalten an externe Gegebenheiten anpassen: Beispiel: Komponenten können von einem Sensor, z.B. einer Fotokamera, erfasst und vom Roboter 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.

Oft ist die Roboter-Steuerung an eine SPS angebunden. Dieser steuert das Zusammenwirken des Industrieroboters mit der umliegenden Anlage. Der Roboter wird entweder am oder mit dem Roboter selbst programmiert. Die Prozeduren der Online-Programmierung umfassen: Im Lernvorgang (kurz: Teach-In) wird der Roboter mit einem Bedienpult in die richtige Stellung gebracht.

Die Programmsequenz ist, dass sich der Roboter selbständig zu allen abgespeicherten Punkten bewegt. Beispielsweise kann die Drehzahl und der Beschleunigungswert eingestellt werden, und bei einigen Roboter ist es auch möglich, die erforderliche Präzision festzulegen. Es gibt prinzipiell zwei unterschiedliche Ausführungen beim Bewegen des Roboters: P2P: Punkt-zu-Punkt: Der Roboter bewegt sich von n nach n+1, wo die für ihn günstigsten geometrischen Verfahrwege ausgewählt werden.

CP: Continuous Path: Hier wird der Roboter 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. Die Roboter wiederholen exakt diese Bewegung. Bei der Führung des KMG entlang der Teilekontur werden Koordinatendaten erfasst und später in ein Roboter-Programm umgewandelt.

Dies ist für die Roboterprogrammierung nicht erforderlich, das Softwareprogramm wird auf einem vom Roboter getrennten Rechner entwickelt, so dass der Roboter während der Entwicklungsphase weiterarbeiten kann. Offlineprogrammierung beinhaltet: Es ist einfach zu modifizieren und gut dokumentiert. Die Programmerstellung kann ohne den Einsatz des Routers erfolgen.

Beim CAD-unterstützten Programmieren wird der Roboter an einem PC-Arbeitsplatz (oft auch Unix-Arbeitsplätzen) anhand von Zeichnungen und Simulationsrechnungen einprogrammiert. Im Regelfall wird auch die Umwelt des Roboter und seines Werkzeugs dargestellt. Wurde das Bauteil oder die Werkzeuge verschoben? Wieviel Zeit braucht der Roboter für diese Bewegung?

Prüfung von Varianten, z.B. ein "kleinerer", kostengünstiger Roboter kann zusätzlich zum ursprünglichen Planungsmodell verwendet werden. Sicherstellen der Realisierbarkeit der Roboterapplikation. Der Roboter kann bereits programmiert werden, wenn er noch nicht eingerichtet ist. Bei der 3D-Umgebung am Rechner kann jeder Teil der Roboter-Umgebung von allen Richtungen abgelesen 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 Industrieautomaten. Die in der CAD-gestützten Programmerstellung erstellten Programme werden per Datenübertragung oder über das Netz an den Industrie-Roboter übergeben und können anschließend direkt ablaufen.

In der Regel sind jedoch noch verschiedene Einstellungen (Roboterkalibrierung) notwendig, da die Simulationsumgebung nie exakt der Wirklichkeit entspricht. 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 Position am Gerät befinden kann.

Durch die historische Weiterentwicklung der Industrieroboter war es gängig, eine Stabelektrode einer Punktschweisszange als TCP zu bezeichnen. Zur Beschreibung der Positionierung des Roboterwerkzeugs reicht es aus, die Positionierung und Ausrichtung des TCP im Weltraum zu bestimmen. Für jede Einzelachse (Linear- oder Drehachse) des Roboter wird angezeigt, in welcher Stelle sie sich aufhält.

In Verbindung mit den Konstruktionslängen der Gelenke entsteht so eine klare Positionierung des Flansches des Roboters. Nur so kann die Lage 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 Roboters bewegt und wie es sich ausrichtet. Aus der so genannten Denavit-Hartenberg-Transformation berechnet die Roboter-Steuerung dann, welche Position die Einzelachsen eingenommen haben. Zur räumlichen Darstellung der Roboterposition existieren unterschiedliche Koordinaten-Systeme, die der Anwender je nach Anforderung ausnutzen kann.

Der Name kann je nach Roboter-Steuerung variieren: 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 Roboter-Steuerung mehrere Werkstück-Koordinatensysteme angelegt werden, die über eine Werkzeugsnummer ansprechbar sind. Sie können zeitgleich am Roboter angebracht werden, was jedoch zu Gewichts- und Zugänglichkeitsproblemen führen kann.

Als Alternative kann ein Wechselsystem eingesetzt werden, bei dem der Roboter verschiedene Geräte an- und abkoppelt. Der TCP wird nicht am Robotwerkzeug festgelegt, sondern im Betriebspunkt eines stehenden Werkzeugs. Dabei werden die Stellen des Roboterprogramms nicht im Weltraum fixiert, sondern "kleben" an dem vom Roboter verfahrenen Teil und werden zum stehenden Gerät gefahren.

In diesem Falle fährt der Roboter 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 aufgefÃ?hrt ist, vernetzt. Wahlweise kann das Teil auch von einem oder mehreren Roboter bearbeitet werden, die dann mit dem Roboter kommunizieren müssen, der das Gerät anlegt.

Mit beiden Ausführungen können mehrere Roboter an ein und demselben Bauteil simultan 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. Wenn ein Roboter-Programm im Basis-Koordinatensystem festgelegt ist, kann es einfach durch einfaches Ändern der Position des Koordinaten-Systems im Weltraum bewegt und gedreht werden, ohne dass ein einzelner Programmierpunkt erneut eingelernt werden muss (siehe Basis-Koordinatensystem).

Durch die Verfahrbewegung des Roboterwerkzeugs über eine inverse kinematische Steuerung ergeben sich einige besondere Merkmale. 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.

In einigen Roboter-Kinematiken (z.B. 6-achsige Knickarmroboter) gibt es Platzpunkte, die zu so genannten Einzigartigkeiten führten. 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 Positionen und die Ausrichtung des im Welt-Koordinatensystem dargestellten Werkzeugs in eine Repräsentation im Werkstück-Koordinatensystem umgewandelt werden. Bei der so genannten Vorschubtransformation wird die Stellung des Flansches des Roboters aus der Bezeichnung durch Achsenwerte in die Bezeichnung in Roboter-Weltkoordinaten übertragen. Bei der umgekehrten oder inversen Umwandlung wird die Bezeichnung in Roboter-Weltkoordinaten in die Bezeichnung durch Achsenwerte umgewandelt.

Zu Beginn der Robotertechnik wurden die Umwandlungsgleichungen aus Sinus- und Cos-Termen der entsprechenden Achsenwerte erstellt. Im Rahmen der Denavit-Hartenberg-Konvention wird ein Satz von Regeln beschrieben, mit denen eine allgemeingültige Roboterkinematik durch Mathematik beschrieben werden kann. Bei der umgekehrten Transformation wird die umgekehrte Matrize verwendet, die bekanntlich nur unter gewissen Voraussetzungen nummerisch unzweideutig auflösbar ist.

In der Robotik ist die Personensicherheit sehr wichtig. Schon in den 1950er Jahren hat Isaac Asimow in seinen Science-Fiction-Romanen drei Roboter-Regeln aufgestellt, die im Wesentlichen aussagen, dass ein Mensch nicht durch einen Roboter oder dessen Inaktivität geschädigt werden darf. Es sind heute sowohl gesetzliche (in Europa die Maschinenbau-Richtlinie 2006/42/EG vormals 98/37/EG) als auch die internationalen Standards (z.B. ISO EN 10218 vormals DIN EN 775), die die Sicherheitsnormen von Arbeitsmaschinen und damit auch von Industrierobotern definieren.

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 Industrie-Roboter kann rasch zum Tod führen. Erste Schutzmassnahme ist daher meist die Trennung des Bewegungsraumes zwischen Mensch und Roboter durch Schutzroste mit abgesicherten Schutzgittern oder -türen.

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

Jüngste Weiterentwicklungen (Assistenzroboter) weisen in die richtige Bewegungsrichtung, dass der Roboter 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 Roboter in seiner direkten Umgebung zusammenzuarbeiten. Durch eine Gefährdungsanalyse wird die Gefährdung durch den Roboter oder Zusatzgeräte 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 Roboters unterschieden. Hinzu kommen die zahlreichen Anlagenhäuser, die Industrie-Roboter in individuell an die Kundenbedürfnisse angepasste Systeme umsetzen. Bei Großserien, wie z.B. im Automobilbau, kommen häufig Roboter von nur einem Produzenten zum Einsatz.

Immer mehr Autohersteller wechseln jedoch zum billigsten Roboterlieferanten, um eine zu einseitig besetzte Roboterbestückung und damit die Preisabhängigkeit von einem einzelnen Anbieter zu mindern. Firmen wie VW, die einst eine eigene Roboterfertigung hatten, haben diese mit wachsender Internationalisierung aufgegeben und beschaffen ihre Nachfrage nach Industrie-Robotern nun auswärts.

Stefano Hesse, Viktorio Malisa (Hrsg.): Paperback Robotics Montageabwicklung. 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. Alois Knoll, Thomas Christaller: Robotik: Selbständige Erreger. Die Roboter in der Medizintechnik. Eberhard Fischer (TB), Frankfurt 2003, ISBN 978-3-596-15552-1. Wolfgang Weber: Industrieller Roboter.

DanieI Ichbiah: Roboter. ABB Ltd. Die Erfolgsgeschichte der Roboterindustrie ? Fédération Internationale de Robotik. Retrieved December 2011. Bernd Mewes: IFR: Roboter-Dichte erreicht neuen Weltrekord. heise on line, August 2018, Retrieved February 2009, September 2018 (Deutsch).

Presseaussendung: Roboterverdichtung erreicht neuen Weltrekord - International Federation of Robotics. Der Zugriff erfolgte am 19. Januar 2018. IFR: Die Dichte der Roboter nimmt zu.