Gelenkarmroboter

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Gelenkarmroboter, auch Knickarmroboter genannt, sind Automaten die in der Industrie für Hanhabungs-, Fertigungs- und Montageaufgaben eingesetzt werden. Sie haben eine serielle Anordnung von Achsen und mehrer Armteile die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Sie können sich dreidimensional bewegen und somit nahezu jeden Punkt im Raum erfassen. Er ist die am häufigsten eingesetzte Bauform der Industrieroboter. SCARA-Roboter werden in diesem Artikel, trotz ihrer Zugehörigkeit, nicht mit aufgeführt. Für mehr Informationen zu dieser speziellen Bauform siehe im Artikel SCARA-Roboter

Kooperierende Gelenkarmroboter arbeiten an einem Auto

Hauptartikel: Industrieroboter



Funktionsweise

Einteilung und Bauart

Einteilen lassen sich die Gelenkarmroboter nach den an ihnen angebrachten Effektoren:

  • Effektor: Der Effektor der Gelenkarmroboter kann sehr unterschiedlich je nach Aufgabenbereich ausfallen. So sind die zwei Kategorien in die sich Effektoren einteilen lassen ihren Aufgaben nach zuzuordnen:
    • Fertigung
      • Schweißroboter zum Lichtbogen-, Laserstrahl-, Bolzen- oder Punktschweißen
      • Fügeroboter zum Druckfügen, Kleben oder Rollfalzen
      • Lackierroboter zum Lackieren oder Polieren
      • Schleifautomaten zum Schleifen von Werkzeugen oder Werkstücken
      • Schneidroboter zum Fräsen, Sägen mit Werkzeugen, Laser, Plasma oder Schneidbrenner oder Wasserstrahlschneiden
    • Handhabung:
      • Bestückungsroboter zur Herstellung von Leiterplatten
      • Montageroboter zum Montieren von einzelnen Bauteilen oder Baugruppen
      • Palletierer zur Prozessautomatisierung der Zusammenfassung von Packstücken auf Ladungsträgern
      • Stapelroboter zur Entnahme von Waren oder Werkstücken von Ladungsträgern und Stapeln auf meist Paletten
      • Messroboter zum Messen von Passungen, Toleranzen und Abmessungen von Bauteilen zur Produktionsoptimierung

Aufbau

  • Antrieb: Der Antrieb erfolgt in den meisten Fällen hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch. Bei der hydraulischen und pneumatischen Variante wird über eine Pumpe bzw einen Kompressor Druck erzeugt mit dem Zylinder und Motoren betrieben werden. Das hat den Nachteil des Kraftverlustes bei der Übertragung von elektrischer Energie in hydraulische/pneumatische hin zu mechanischer Energie. Zusätzlich sind Pumpen und Ventiltechnik ein enormer Kostenfaktor. Eine weitere Möglichkeit des Antriebes besteht in elektrischen Stellmotoren, deren Rotation bei Bedarf durch Schraubgetriebe in translatorische Bewegungen umgesetzt werden können. Das hat zum Einen den Vorteil, dass die elektrische Energie direkt in mechanische umgesetzt werden kann und zum anderen hydraulische/pneumatische Systeme verschleißanfällig und wartungsintensiv sind.
  • Steuerung: Die Steuerung befindet sich entweder im Sockel des Roboters oder in einer externen Steuerbox, wenn mehrere stationäre Roboter miteinander zusammenarbeiten. In diesem Fall betrachtet man die zusammenarbeitenden Roboter zwar als ein System mit mehreren Manipulatoren, allerdings ist das nicht immer sofort so offensichtlich.
  • Sensorik: Die externe Sensorik erfährt in den letzten Jahre große Fortschritte und Erneuerungen. Die Roboter werden mit immer mehr Sensoren ausgestattet, was ihre Interaktion mit der Umwelt verbessern soll und eine Kollaboration mit menschlichen Mitarbeitern. Durch die Kollaboration von Mensch und Maschine ergeben sich viele neue Möglichkeiten. Diese Gattung von Robotern ordnet man aufgrund ihrer Komplexität und Bedeutung einer eigenen Klasse zu, den Kollaborierenden Robotern.
  • Werkzeugschnellwechselsysteme: Diese sind optionale Elemente an einem Industrieroboter, aufgelistet in der ISO-Norm 11593, mit denen ein flexibler Wechsel des Effektors möglich ist. Durch die Möglichkeit mehrere Werkzeuge mitzuführen können Kosten gespart und die Geschwindigkeit von Arbeitsprozessen optimiert werden. Beispielsweise kann ein Bauteil durch einen Greifer abgelegt und in einem zweiten Schritt weiterbearbeitet werden, ohne das ein zweiter Roboter zum Einsatz kommen muss. Allerdings machen solche Wechselsysteme nur bedingt Sinn, da bei einigen Effektoren zu viel Zusatzausstattung benötigt wird. Das schränkt die Einsatzmöglichkeit und Beweglichkeit durch ein hohes Eigengewicht und großen Platzbedarf ein.
  • Manipulator: Der Manipulator von Gelenkarmrobotern besteht auf mehreren steifen Armteilen, die durch Gelenke miteinander verbunden sind. Diese bilden eine geschlossene, serielle kinematische Kette. Aufgrund seines hohen Eigengewichtes besitzt der Manipulator keine hohe Steifigkeit. Das erste Gelenk bildet bei den meisten Modellen eine rotatorische Achse zwischen der Basis und dem ersten Armelement. Es ist typischer, dass eher die Basis erhöht wird, als dass ein steifes Armglied zwischen dem ersten Gelenk und der Basis konstruiert wird. Dies hat statische Vorteile zur Folge.

Einsatzgebiete

Gelenkarmroboter der Firma ABB bei der Bearbeitung von Holz

Das größte Einsatzgebiet der Gelenkarmroboter bietet die Automobilbranche. In ihr wurde auch der erste Industrieroboter 1959 bei General Motors zum Einsatz gebracht. Allerdings sind den Einsatzmöglichkeiten kaum Grenzen gesetzt. So sind sie bauartbedingt zwar eingeschränkt durch Reichweite und hohes Eigengewicht, allerdings können sie durch flexible Erreichbarkeit von räumlichen Punkten durch bis zu 6 Achsen und große Anpresskraft punkten. Die Wiederholgenauigkeit, Steifigkeit und Geschwindigkeit liegt bei vertikalen Gelenkarmrobotern im Vergleich zu anderen Bauarten zurück. Ihre häufigsten Aufgaben liegen beim Schweißen und Montieren von Komponenten. Da bei schweren Bauteilen sowieso ein Deckenkran oder ein anderes Flurförderzeug für die Handhabung zum Einsatz kommen muss ist der Einsatz der Roboter nicht nur aus Kostengründen sinnvoll, sonder auch für Gründen der Arbeitssicherheit der menschlichen Mitarbeiter. Ihre Arbeitsplätze gehen dabei jedoch nicht wie oft behauptet verloren, sondern verlagern sich in die Wartung, Montage und Instandhaltung der Maschinen. In anderen Branchen wie der Chemie oder Atomenergie sind die Verwendung der, in den meisten Fällen, Gelenkarmroboter sogar unerlässlich. Das Arbeitsumfeld ist hier teilweise einfach zu menschenfeindlich, als dass menschliche Arbeitskraft sinnvoll wäre oder gar denkbar.

Neben der Automobilbranche werden Knickarmroboter weiterhin vor allem in der allgemeinen Metall- und Kunststoffbranche eingesetzt, wobei der Gebrauch in der Massenherstellung von Möbelstücken und anderen Holzprodukten immer weiter Einzug hält. Bei der Holzverarbeitung wird dabei das Klemmen und Schrauben von Bauteilen zu einem optimalen Aufgabenfeld. Beispielsweise bei der Herstellung von Dachsparren mit großer Auslage für Hallen erreichen die Roboter die einzelnen Stellen wesentlich effektiver und zeitsparender. Auch in der Lebensmitteltechnik werden Gelenkarmroboter immer häufiger eingesetzt. So gibt es erste Modelle, die bei dem Zerwirken von Tieren in Schlachtbetrieben völlig autonom vorgehen und wesentlich schneller und präziser arbeiten als ungeschulte Niedriglohnarbeiter.

Geschichte

Der Grundgedanke für die Robotik war für den Menschen gefährliche oder zu schwere Arbeiten maschinell durchzuführen. So entwickelte Raymond Goertz 1951 einen damals noch handgesteuerten Manipulator, um Brennstäbe in einem Atomreaktor zu tauschen. Obwohl dieser permanente menschliche Steuerung bedurfte, wurde so der Mitarbeiter vor Strahlung effektiv geschützt. Das erste offizielle Patent für einen programmierten Manipulator reichte Georg Deval 1954 ein. Nachdem er mit Joseph F. Engelberger einen Geldgeber fand konstruierte er den ersten Prototyp Namens Unimate. 1959 ging dann der erste Unimate bei General Motors in Betrieb zum Schweißen von Druckgussteilen. Nachdem die Geschäftsleitung das Potential erkannte, wurde der noch sehr simple Prototyp zwei Jahre später für die Produktionslinie bei GM freigegeben.

Aufgrund der hohen Verluste durch den 2. Weltkrieg herrschte in Japan ein großer Fachkräftemangel. 1967 setzte man daher dort verstärkt auf die Manipulatoren, um im Weltmarkt nicht der Konkurrenz zu unterliegen. Vorrangig in der Automobilindustrie kamen sie dabei zum Einsatz. Bis heute bietet die Automobilindustrie eines größten Einsatzgebiete für Roboter. In Deutschland begann man drei Jahre nach den Japanern die Roboter einzusetzen. Erstmals geschah dies bei Mercedes-Benz.

Auch wenn die heutige Definition eines Gelenkarmroboters auf die damaligen Manipulatoren noch nicht zutraf, so bilden sie jedoch den Vorgänger moderner Modelle.

Eine kleine Revolution gelang der Firma Yaskawa im Jahr 1977 mit dem ersten Gelenkroboter nach heutiger Definition. Mit der Bewegung um fünf Achsen war der Motoman L10 damals das Vorzeigemodell der Branche. Heutzutage sind Manipulatoren leistungsstärker und intelligenter denn je. Ob enorme Kräfte aufbringen, hochpräzise Vorgänge wiederholen oder autodidaktisch lernen.


Hersteller


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