Industrieroboter

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Ein Industrieroboter ist ein computergesteuerter Bewegungsautomat, der in der Industrie zur Herstellung, Bearbeitung und Logistik eingesetzt wird. Er gehört zur Kategorie der Automatisierungstechnologie und kann vielseitig zur Arbeitserleichterung mit hoher Wiederholgenauigkeit eingesetzt werden. Nach einmaligem Anlernen kann der Roboter seine Aufgaben selbstständig - mit Ausnahme von Wartungsaufgaben - ununterbrochen ausführen. Dies geschieht entweder durch Programmierung oder Sensorsteuerung. Ausgestattet mit verschiedenen Effektoren besteht er hauptsächlich aus einem Manipulator und der Steuerung. Nach europäischer Norm EN 775 ist ein Roboter ein automatisch gesteuertes, wiederprogrammierbares, vielfach einsetzbares Handhabungsgerät mit mehreren Freiheitsgraden, das entweder ortsfest oder beweglich in automatisierten Fertigungssystemen eingesetzt wird. Eine allgemeinere Beschreibung der Begriffe und Definitionen zu den Themenfeldern Roboter und Robotikgeräte im industriellen und nicht-industriellen Umfeld findet man in der ISO-Norm 8373.


Hauptartikel: Roboter

Arten und Bauformen

Die meisten Hersteller bieten ihre Roboter in einer Grundausführung an, die je nach Kundenanforderungen mit Effektoren bestückt und gegebenenfalls weiter angepasst werden. Eine sinnvolle Unterteilung der Bauformen von Industrierobotern kann anhand ihrer Kinematik unternommen werden. Hier einmal die Arten von Industrierobotern im Überblick:

Parallele Kinematik

Parallelkinematikroboter "TS511x" der Firma Beckhoff Automation
Parallelkinematikroboter "TS511x" der Firma Beckhoff Automation
  • Delta-Roboter: Der Delta-Roboter ist benannt nach seiner Ähnlichkeit mit dem griechischen Buchstaben. Aufgrund seines geringen Gewichtes und seiner Schnelligkeit wird er oft in der Verpackungsindustrie und im Bereich des High-Speed eingesetzt. Die 3 Manipulatoren hängen meist von der Decke ab und bilden eine geschlossene kinematische Kette. Dabei sind sie oft an einem Ende der Manipulatoren mit einem Mehrfachgelenk verbunden. Das Zusammenspiel der mindestens 3 Arme, die durch pneumatische oder hydraulische Zylinder verlängert oder verkürzt werden, ermöglicht eine translatorische Bewegung. Um beispielsweise eine Bewegung der Z-Achse zu realisieren, werden alle 3 Zylinder gleichmäßig aus- oder eingefahren.
  • Hexapod-Roboter: Der Hexapod, ebenfalls abgeleitet vom griechischen Wort für Sechsfüßer, stellt eine besondere Bauform des Delta-Roboters dar. Wie der Name bereits impliziert, besitzt er 6 Manipulatoren, die mit Gelenken auf einer Ebene verbunden sind. In der industriellen Robotik sind hexapode Antriebe bisher kaum verbreitet, denn trotz ihrer Vorteile stehen sie in mehrfacher Hinsicht Robotern mit serieller Kinematik nach. In der Forschung, Simulationstechnik und der Medizin gibt es durchaus angebrachte Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel zur Ausrichtung von Teleskopen.

Serielle Kinematik

  • Gelenkarmroboter: Der Gelenkarmroboter ist der am häufigsten eingesetzte Typus der Industrieroboter und wohl auch der, welcher am ehesten mit ihnen in Verbindung gebracht wird. Mit bis zu 6 Freiheitsgraden besitzt er eine enorme Flexibilität und kann je nach Anzahl und Anordnung der Manipulatoren und Gelenke nahezu jede translatorische und rotatorische Bewegung realisieren. Der Roboterarm ist mit einem Schulter- und einem Ellbogengelenk ausgestattet, was häufig zur Bezeichnung Knickarmroboter führt. Die Systeme sind in der Regel auf einer Drehachse montiert und ermöglichen dadurch eine Rotation um die Z-Achse. Der Arbeitsraum des Gelenkarmroboters ist somit näherungsweise kugelförmig. Mit ihren 6 Freiheitsgraden haben diese Systeme eine hohe Beweglichkeit und können z.B. Hindernisse umgreifen. Zusätzlich können sie wesentlich höhere Lasten heben als Roboter mit paralleler Kinematik.
  • 'SCARA-Roboter/ Horizontaler Kickarmroboter: Der SCARA-Roboter (von Selective Compilance Assembley Robot Arm, oder auch Säulenroboter genannt) besitzt 2 bis 4 Drehachsen in vertikaler Richtung und eine Linearachse, ebenfalls in vertikaler Richtung. In dieser Grundkonfiguration verfügt er über 4 Freiheitsgarde. Diese Roboterbauform kann eine hohe Bewegungsdynamik und Positioniergenauigkeit realisieren. Die Einsatzgebierte sind Montage-, Füge- und Handhabungsaufgaben (Pick-and-Place Anwendungen). Die Andwendungsgebiete sind durch die Form des Arbeitsraumes beschränkt.
Portalroboter Firma Heinz Mayer
Portalroboter Firma Heinz Mayer
  • 'Portalroboter': Portalroboter sind in der Grundkonzeption auf lineare Bewegungen im kartesischen Koordinatensystem beschränkt. Ergänzende rotatorische Bewegungen können durch Drehachsen oder Schwenkachsen im Greifer realisiert werden. Diese Systeme ermöglichen die Realisierung großer Arbeitsräume und das Handling hoher Traglasten. Die am häufigsten anzutreffende Ausführung ist das Linearportal, bei dem sich der Roboter auf einer Ebene bewegt. Die auf die X- und Y-Achse beschränkte Translation gilt auch für Systeme, die durch Effektoren, wie beispielsweise Seilwinden, eine Bewegung auf der Z-Achse realisieren können, da sich der Freiheitsgrad auf die Manipulatoren bezieht.

Kollaborierende Roboter

Eine weitere Einteilung kann in die Kategorie Kollaborierende Roboter vorgenommen werden. Damit gemeint ist die Fähigkeit des Roboters mit Menschen zusammen zu arbeiten, ohne dabei begrenzende Sicherheitsmaßnahmen wie Zäune zu verwenden. Interessant ist in diesem Zusammenhang das sogenannte Teaching, bei dem ein menschlicher Mitarbeiter den Roboter anlernt, ohne eine Neuprogrammierung des Systemes. Dies kann zum Beispiel den Einsatz in der Montage, auch in Hinblick auf die Industrie 4.0, um einiges einfacher gestalten. Der Facharbeiter in der Fertigung kann den Roboter für neue Aufgaben vorbereiten, ohne dass ein Informatiker oder Programmierer hinzugezogen werden muss. Da der Facharbeiter auch über das nötige Fachwissen verfügt, das für die Montage erforderlich ist, muss nicht erst ein Programmierer über dieses unterrichtet werden. Auch für die Arbeitsmoral ist die Einbeziehung in den technischen Fortschritt von Vorteil. Dadurch wird der Eindruck geweckt, dass Roboter die menschliche Arbeitskraft ergänzen, den Menschen jedoch nicht ersetzten, wollen. Die DIN EN ISO 15066 umfasst eine Definition für solche Systeme.

Einsatzgebiete

Die Einsatzmöglichkeiten von Industrierobotern sind mit der Zeit immer vielfältiger geworden und lassen sich in folgende Kategorien einteilen:

Anwenderbranchen für Industrieroboter
Anwenderbranchen für Industrieroboter

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
  • Verpackungsautomaten zur Verpackung von Waren oder Bauteilen in Kisten, Kartons oder ähnliches
  • Messroboter zum Messen von Passungen, Toleranzen und Abmessungen von Bauteilen zur Produktionsoptimierung

Dabei erweiterte sich der Einsatz von der Metall- und Kunststoffindustrie auch auf die Lebensmittelbranche und die Holzverarbeitung. So kommt es beispielsweise bei der Massenproduktion von Möbeln vermehrt zum Gebrauch von Robotern zum Vernieten oder Klammern von Komponenten. Aber auch die individuelle Möbelherstellung profitiert von Automaten, da früher aufwendig hergestellte und kostenintensive Handwerksarbeiten heute von den Robotern leicht kopiert werden können. Einige Berufe wie der des Drechslers halten sich in weiten Teilen nur noch dadurch, dass sie Teile ihres Handwerks automatisieren und somit Holz konkurrenzfähig bleibt zu Werkstoffen wie Kunststoffen. In der Lebensmittelindustrie liegt der Fokus eher auf der logistischen Herausforderung der Verpackungen. Der Einsatz von Verpackungsautomaten ist hier nicht nur wesentlich schneller als menschliche Mitarbeiter, sondern auch hygienischer. Bei den weltweit steigenden Bevölkerungszahlen ist die Herstellung preiswerter Lebensmittel daher durchaus sinnvoll und notwendig.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Industrieroboter ist grundsätzlich stets nach demselben Schema bzw. derselben Struktur aufgebaut. In der ISO-Norm 9949 ist die Darstellung charakteristischer Eigenschaften definiert. Wichtige Elemente hierbei sind:

  • Der Antrieb: Durch den Antrieb werden die Glieder der kinematischen Kette bewegt. Er besteht aus einer Regelung, einem Getriebe und einem Motor. Die Kraftübertragung des Antriebes erfolgt in den meisten Fällen pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch. Eine mechanische Übertragung ist selten vorzufinden. Bei nicht stationären Robotern setzt der Antrieb zusätzlich noch ein Fahrwerk in Kraft. Dieses ist in der Basis des Roboters integriert und ermöglicht die Arbeit in flexiblen Fertigungsstraßen, in denen der Fertigungsfluss angepasst werden kann.
  • Die Steuerung: Die Steuerung überwacht die Aktionen des Industrieroboters und gibt entsprechende Bewegungen vor. Damit die Steuerung wunschgemäß funktionieren kann, muss sie zunächst entsprechend programmiert werden.
  • Interne Sensorik: Die interne Sensorik liefert der Steuerung die Daten on board. Die Steuerung ist somit immer über die Position und Ausrichtung des Roboters informiert. Erst durch diese Informationen ist eine präzise Steuerung möglich, denn ohne den Ist-Wert könnte die Steuerung keinen Abgleich zu den Soll-Werten und dem Manipulator vornehmen. Zudem könnte der Effektor nicht in die gewünschte Stellung gebracht werden. Auch über den allgemeinen Betriebszustand wie zum Beispiel die Motordrehzahl, die Temperatur der Betriebsstoffe oder den Ladezustand der Batterie gibt die interne Sensorik Auskunft. Zu internen Sensoren zählen unter anderem Stellungssensoren, Potentiometer und Temperatursensoren.
Knickarmroboter der Firma KUKA in Kombination mit einer Drehbank
Knickarmroboter der Firma KUKA in Kombination mit einer Drehbank
  • Externe Sensorik: Die externe Sensorik gibt dem Industrieroboter Rückmeldungen über seine Umwelt. Hiermit wird eine flexible Reaktion des Roboters auf ungeplante Veränderungen ermöglicht. Zu externen Sensoren zählen beispielsweise Bildverarbeitungssysteme, Lichtschrankenfunktionen oder Ultraschallsensoren. Dies trägt einen großen Beitrag zur Arbeitssicherheit bei, um kooperatives Arbeiten von Robotern und Menschen ohne räumliche Trennung zu ermöglichen. Ebenfalls dient es zur Erfassung und Lokalisierung von Werkstücken.
  • Effektor: Als Effektor bezeichnet man das Werkzeug des Roboters. Dabei kann es sich um ein Greif-, ein Bearbeitungs- oder ein Montagewerkzeug handeln. Greifwerkzeuge stellen form- oder kraftschlüssig eine Verbindung des Roboters zum Werkstück her, um logistische Tätigkeiten durchzuführen. Eine genaue Beschreibung der Eigenschaften für eine Zuordnung findet sich in der ISO-Norm 14539. Bearbeitungswerkzeuge können sehr vielseitig ausgeprägt sein. Sie bearbeiten das Werkstück zum Beispiel durch Zerspanung, thermisches Fügen oder Trennen und Umformung. Montagewerkzeuge verbinden Bauteile und Komponenten meist durch das Herstellen lösbarer Verbindungen wie mit Schrauben oder Nieten. Dabei werden oft zusätzlich noch Greifwerkzeuge zum Einsatz gebracht, um die Bauteile bei der Montage zu positionieren.
  • Manipulator: Der Manipulator, auch als Roboterarm bezeichnet, führt die Bewegung der Effektoren im Raum durch. Mit translatorischen und rotatorischen Bewegungen können moderne Industrieroboter nahezu jede Position erreichen, wodurch das Arbeiten an schwierig zu erreichenden Stellen wesentlich leichter wird.
  • Kinematik: Die Kinematik kann eine räumliche Zuordnung zwischen der Fertigungseinrichtung und dem Werkzeug bzw. Werkstück schaffen. Damit jeder Raumpunkt erreicht werden kann, sind üblicherweise 3 Freiheitsgrade erforderlich, was wiederum mindestens 3 Bewegungsachsen notwendig macht. Die verschiedenen Koordinationssysteme sind im Hauptartikel Roboter näher beschrieben.
  • 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 der Arbeitsprozesse optimiert werden. Beispielsweise kann ein Bauteil durch einen Greifer abgelegt und in einem zweiten Schritt weiterbearbeitet werden, ohne dass 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.

Geschichte der Industrieroboter

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 zum Schweißen von Druckgussteilen in Betrieb. 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 dort daher verstärkt auf die Manipulatoren, um im Weltmarkt nicht der Konkurrenz zu unterliegen. Vorrangig zum Einsatz kamen sie dabei in der Automobilindustrie. Bis heute bietet die Automobilindustrie eines der größten Einsatzgebiete für Roboter. In Deutschland begann man drei Jahre nach den Japanern die Roboter einzusetzen. Erstmals geschah dies bei Mercedes-Benz.

Eine kleine Revolution gelang der Firma Yaskawa im Jahr 1977 mit dem ersten Gelenkroboter. Mit der Bewegung um 5 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. Für die neusten Generationen ist all das kein Problem. So kann beispielsweise der Tischtennisroboter von Omron Electronics mit 80 Rechnungen pro Sekunde die Flugbahn des Tischtennisballs berechnen und präzise zurückschlagen. Was wie Spielerei anmutet, ist modernste Technik, die der künstlichen Intelligenz bloß ein Bild gibt. In Zukunft wird dadurch die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine immer enger verbunden.

Vor- und Nachteile des Einsatzes von Robotern

Den vollständigen Verzicht auf Roboter in der Industrie würde heute wohl niemand mehr fordern. Auch der generelle Verzicht auf Maschinen ist nicht mehr vorstellbar. So sind die Automaten in vielen Bereichen gar nicht mehr wegzudenken und ihre Aufgaben und Einsatzgebiete erweitern sich stetig. Viele Lösungen für Probleme wurden erst durch den Einsatz von Robotern möglich.

Vorteile

Körperlich anstrengende oder gefährliche Arbeiten müssen nicht mehr von Menschen übernommen werden, die bei diesen Arbeiten unter Umständen ihre Gesundheit riskieren. In manchen Fällen ist die Umsetzung der Aufgaben erst durch Roboter möglich geworden, weil sie zuvor für den menschlichen Mitarbeiter nicht umsetzbar waren. Im Hinblick auf die Industrie 4.0 können Produktionsabläufe schneller und flexibler gestaltet werden. So besteht die Möglichkeit den Menschen aus der Abwicklung herauszuhalten, was zur Folge hat, dass einzig die Geschwindigkeit der Datenübertragung eine Begrenzung darstellt. Voraussetzung hierfür ist ein fehlerfreies Funktionieren des Systems. Eintönige Arbeiten können von Industrierobotern übernommen werden, die bei einem menschlichen Arbeiter früher oder später zu einer erhöhten Fehlerquote - aufgrund von Ermüdung - führen würden. Die Automaten besitzen eine hohe Wiederholgenauigkeit, ohne ihre Tätigkeit zu hinterfragen. Auch können Unternehmen hohe Lohnkosten und Sozialabgaben vermeiden.

Nachteile

Vorwiegend beschränken sich die Nachteile, die ein moderner Industrieroboter mit sich bringt, auf die Aspekte der Sicherheit. Durch den Einsatz von kollaborierenden Robotern sind daher die Normen für die Sicherheitsanforderungen angepasst worden. Das Hauptrisiko besteht dabei durch Missachtung von Sicherheitshinweisen und -einrichtungen. Der Wegfall von Arbeitsplätzen kann nur bedingt als Nachteil genannt werden, da er lediglich eine Verschiebung bedeutet - vom Einsatz menschlicher Arbeitskraft in der Fertigung hin zur Wartung, Reparatur und Herstellung von Robotern.

Sicherheitsaspekte

Im Umgang mit Robotern sind einige Aspekte bezüglich der Sicherheit von Menschen und der restlichen Umwelt zu beachten. Wohingegen in der Vergangenheit Roboter meist abgeschirmt hinter Schutzeinrichtungen arbeiteten, werden immer öfter Konzepte entwickelt, bei denen Roboter und Mensch zusammen agieren können. Zu den ersten Schutzmaßnahmen zählt es daher in der Regel, den Bewegungsraum von Industrieroboter und Mensch mithilfe von Schutzgittern und gesicherten Schutztüren oder Lichtschranken zu trennen. Durch eine Unterbrechung der Lichtschranke oder ein Öffnen der Schutztür wird der Roboter sofort angehalten. Für Arbeiten, bei denen der Mensch zwangsläufig den Gefahrenbereich des Roboters betreten muss, muss er zunächst einen Zustimmtaster betätigen, durch diesen Bewegungen des Roboters ausdrücklich erlaubt werden. Zugleich muss die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters auf ein sicheres Maß reduziert werden.

Die Kollaboration von Mensch und Maschine ist mit Risiken verbunden, und der Einsatz wurde lange mit Skepsis betrachtet. Die neuen Generationen sind dank künstlicher Intelligenz und feinfühliger Sensorik allerdings im Stande die Gefahren für den Menschen zu minimieren. Dabei bestimmen die Daten der Sensoren aktiv den Bewegungsplanung der Steuerung. Wichtig für die Sicherheit ist daher auch die Programmierung des Roboters, mit der bestimmt wird, wie auf den Bewegungsablauf bei der Ermittlung von Abweichungen der IST-Daten reagiert werden soll. Die ISO 13849 legt hierbei die Standards für sicherheitsbezogene Bauteile fest. Die allgemeinen Regeln und Anforderungen zur Sicherheit im Umgang mit Robotern werden in mehreren Normen festgehalten. Dazu zählen die Normen im industriellen Einsatz DIN EN ISO 10218-1 und 10218-2. So sind dort beispielsweise einige Regeln für Kollaborierende Roboter festgehalten: So soll der Roboter durch einen Sicherheitshalt zum Stillstand gebracht werden, sobald ein Mensch den Kollaborationsraum betritt. Zum Anlernen der Maschine darf der Roboter dann nur mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben sein. Problematisch ist die Norm für die Leistung solcher Geräte, da eine Beschränkung der ausgeübten Kraft notwendig ist, um einen Notstopp im Sicherheitsfall rechtzeitig zu gewährleisten.

Hersteller

Die Zahl der Unternehmen, welche Roboter herstellen, wächst seit Jahren und bietet ein interessantes Feld für Start-Ups. Doch welche sind wichtige, etablierte Industrieroboter-Hersteller? Hier die 10 größten Hersteller im Kurzprofil:

  • Fanuc: Die Fanuc K.K., mit der deutschen Vertretung Fanuc Deutschland GmbH, ist ein 1956 gegründetes japanisches Elektronik- und Maschinenbauunternehmen. Neben den Industrierobotern stellt das Unternehmen unter anderem Drahterodiermaschinen, Faserlaser und Spritzgießmaschinen her. Fanuc wurde 2017 als das 76. der 100 innovativsten Unternehmen weltweit eingestuft und ist Mitglied im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. Hier gelangen Sie zum Firmenprofil: Fanuc
  • Mitsubishi: Die Mitsubishi Electric Corporation, kurz oft auch Melco genannt, ist ein japanischer Technik-Konzern mit Sitz in Tokio. Die Firma ist 1921 aus dem Werftbetrieb der heutigen Mitsubishi Heavy Industries hervorgegangen. Von Gebäudetechnik, wie Klimatechnik und Aufzügen, bis hin zu medizinischen Systemen ist das Unternehmen breit gefächert mit vielen Standbeinen. Ein wichtiger Zweig ist jedoch nach wie vor die Robotik.
  • ABB: ABB Ltd ist ein Energie- und Automatisierungstechnikkonzern mit Sitz in Zürich, der aus der Fusion des schweizerischen Konzerns BBC und der schwedischen ASEA hervorgegangen ist. ABB ist die Kurzform für Asea Brown Boveri und stellt seit 1988 Elektro-Technologie - von gesamten Umspannwerken, bis hin zu Haussicherungen, Antriebstechnik, Automatisation und eben Robotik - her. Mit einem Jahresumsatz von 34,3 Milliarden US-Dollar im Geschäftsjahr 2017 zählen sie mit zu den Weltmartkführern.
  • Nachi: Als Teil von K.K. Fujikoshi stellt das japanische Unternehmen Nachi neben Lagern, Hydrauliksystemen und Spezialstahl-Komponenten auch Industrieroboter her. Von Portalrobotern, über Knickarmroboter bis hin zu SCARA-Robotern stellt das Unternehmen viele Lösungen für individuelle Einsatzzwecke zur Verfügung.
  • Stäubli: Die Stäubli International AG, mit Sitz in der Schweiz, ist ein Technologiekonzern mit weltweit 4500 Angestellten. 1892 gegründet wurde das Unternehmen mit der Produktion von Textilmaschinen groß. Heute zählen zu den drei Standbeine des Unternehmens: Industrieroboter, Textilmaschinen und Schnellkupplungssysteme. Mit der Herstellung von SCARA-Robotern bedient das Unternehmen vor allem die Branchen Handhabung, Lackieren und Fügetechnik. Mit einem Jahresumsatz von 1,3 Mrd Schweizer Franken zählt das Unternehmen zu den größten schweizerischen Industrieunternehmen. Hier gelangen Sie zum Firmenprofil: Stäubi
  • Motoman: Das Unternehmen Motoman stellt seit 1977 Industrieroboter her. Seit der Übernahme 1994 gehört die Firma zu der Yaskawa Electric Corporation. Mit einem Gesamtumsatz von 3,93 Mrd. Euro der K.K. Yaskawa Denki zählt der japanische Hersteller mit zu den Weltmarktführern im Markt für Industrieroboter. Für den deutschen Vertrieb zuständig ist die robotec GmbH. Die Roboter von Motoman werden hauptsächlich zum Montieren, Handhaben, Verpacken, Palettetieren, Lackieren, Fügen, Kleben, Schweißen und Positionieren eingesetzt.
  • Reis: Die deutsche Reis GmbH & Co. KG Maschinenfabrik wurde 1957 gegründet und ist heute als KUKA Industries GmbH & Co. KG Teil der Kuka AG. 2007 wurde Reis zum Marktführer für die automatisierte PV-Modulproduktion. Zu den 700 Mitarbeitern des größten Werkes in Bayern zählten ca. 35% Ingenieure, weswegen der Gründer Walter Reis 2006 mit der Rudolf-Diesel-Medaille und 2011 dem Preis Deutscher Maschinenbau ausgezeichnet wurde für die Innovationskraft des Unternehmens.
  • Kawasaki: Der japanische Hersteller Kawasaki Heavy Industries, Ltd produziert seit 50 Jahren eine große Produktpalette an Robotern für industrielle Anwendungen. Bereits 1878 als Werft in Tokio gegründet, ist das Unternehmen heute neben Robotern unter anderem im Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrttehnik, im Fahrzeugbau und im Hoch- sowie Tiefbau tätig. Der Gesamtumsatz belief sich 2018 auf 12,7 Mrd. Euro, wovon der Anlagenbau einen Anteil von 135,6 Mio Euro besaß.
  • Kuka: Die Kuka AG, 1898 in Augsburg gegründet, steht heute unter Mehrbesitz der Aktien von dem chinesischem Konzern Midea. Kuka ist europäischer Marktführer für Industrieroboter und ist gegliedert in 25 Tochterunternehmen. 2018 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von 3,2 Mrd. Euro und gilt als wichtigster deutscher Hersteller von Industrierobotern. Die Automationen von Kuka werden hauptsächlich in der Automobilbranche, für Medizin- und Solartechnik sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Hier gelangen Sie zum Firmenprofil: KUKA

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Marktsituation von Industrierobotern

Die Roboterdichte pro 10.000 Beschäftigter
Die Roboterdichte pro 10.000 Beschäftigter

Weltweit wird in der industriellen Produktion massiv automatisiert. Hierbei spielen Industrieroboter eine zentrale Rolle. Wichtigste Anwenderindustrien sind die Automobilimobilindustrie, die Elektro- und Elektronikindustrie sowie die Konsumgüterindustrie. Dies spiegelt sich in der Roboterdichte der Triade und einzelner Länder und in den Wachstumsraten für Industrieroboter wider. Mit einer durchschnittlichen Roboterdichte von 85 Einheiten pro 10.000 Mitarbeitern hat der weltweite Durchschnitt 2017 ein neues Höchstniveau markiert. Im Vorjahr 2016 lag dieser Wert noch bei 74 Einheiten. Damit ist eine Steigerung von ca. 15 Prozent erreicht worden.

Die mit Abstand stärksten Roboterdichten sind seit Jahren in Südkorea (710 Einheiten) und Singapur (658 Einheiten) realisiert. Vorangetrieben wurde dies durch die drei wichtigsten Anwenderindustrien, die Elektro-, Elektronik- und Automobilindustrie. In Singapur sind 90 Prozent der Industrieroboter in der Elektronikindustrie installiert. Auf Platz 4 liegt Japan mit 308 Einheiten auf 10.000 Mitarbeitern. Gleichzeitig liegt Asien als Region mit 75 Einheiten unter dem weltweiten Durchschnitt auf Platz drei. Angesichts der Bevölkerungsdichte verständlich, denn auch China liegt aktuell mit 97 Einheiten an Industrierobotern nur knapp über dem globalen Durchschnitt. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass zwischen 2010 und 2016 die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Roboterdichte in Asien bei 9 Prozent, in Amerika bei 7 Prozent und in Europa bei 5 Prozent, lag. Dies lag insbesondere an der Zunahme an Industrierobotern in China. Die Roboterdichte stieg von 25 Einheiten im Jahr 2013 auf 97 Einheiten im Jahr 2017. Die chinesische Regierung will diese Entwicklung weiter beobachten und bis 2020 die Roboterdichte auf 150 Einheiten steigern.

Ausgelieferte Roboter weltweit
Ausgelieferte Roboter weltweit

In den USA hat die Modernisierung in der Industrieproduktion stark angezogen, um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Mit 200 Einheiten rangiert die USA auf Platz 7, wobei der Einsatz von Industrierobotern in der Automobilindustrie 52 Prozent des Gesamtumsatzes beträgt. Im Vergleich hierzu beträgt dieser Anteil in Mexiko als Automobilzulieferstandort 81 Prozent mit einer Roboterdichte von 33 Einheiten. Für Europa ist in Nordeuropa ein stärkerer Automatisierungsgrad festzustellen. Führende Kraft ist Deutschland mit 322 Einheiten vor Schweden und Dänemark. Dies liegt insbesondere am Robotereinsatz in der Automobilindustrie.

Die Entwicklung der weltweiten Lieferungen an Industrierobotern seit 2009 dokumentiert die in den letzten Jahren sehr dynamische Umsetzung von Automatisierungsanstrengungen weltweit. Allein zwischen 2016 und 2017 ist ein Anstieg von 30 Prozent zu verzeichnen. Die Prognosen lassen ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 14 Prozent erwarten.

Für das Jahr 2021 wird ein weltweiter Bestand an Industrierobotern von 3,8 Millionen Stück prognostiziert. Neben klassischen Konzepten der Automatisierung wird die digitale Transformation den Einsatz von Industrierobotern weiter beschleunigen. Hierbei wird angesichts des zunehmenden Wettbewerbs von sinkenden Preisen ausgegangen.

Die Entwicklung in den einzelnen Anwenderindustrien zeigt die Dominanz im Bereich der Automobil- und Automobilzulieferindustrien, gefolgt von der Elektronik. Letztere verzeichnet die mit Abstand größten Zuwachsraten.

Normen

Auch für Roboter wurden zur Vereinheitlichung Normen verfasst, u. a. von der International Organization for Standardization (kurz: ISO) und dem Deutschen Institut für Normung (kurz: DIN). Diese Normen beschreiben den Stand der Technik, die für wesentliche Themenbereiche der Konstruktion und Auslegung relevant sind. Von einfachen Begriffsdefinitionen bis hin zu klaren Sicherheitsanforderungen decken die Normen dabei weitgehende Themengebiete ab.

Im Folgenden werden die wichtigsten Normen - im Umgang mit Industrierobotern - aufgeführt. Berücksichtigt werden dabei die für Deutschland relevanten Normen DIN, EN und ISO. Einige ISO und EN Normen sind bereits vom Deutschen Institut für Normung in DIN-Normen übernommen worden:


  • ISO 8373 Roboter und Robotikgeräte - Wörterbuch
  • ISO 9283 Industrieroboter - Leistungskenngrößen und zugehörige Prüfmethoden
  • ISO 9409-1 Industrieroboter - Mechanische Schnittstellen - Teil 1: Platten
  • ISO 9409-2 Industrieroboter - Mechanische Schnittstellen - Teil 2: Schäfte (Form A)
  • ISO 9787 Industrieroboter - Koordinatensysteme und Bewegungsnomenklaturen
  • ISO 9946 Industrieroboter - Darstellung charakteristischer Eigenschaften
  • ISO 11593 Industrieroboter - Automatische Wechselsysteme für Endeffektoren - Begriffe und Darstellung charakteristischer Eigenschaften
  • ISO 13482 Roboter und Robotikgeräte - Sicherheitsanforderungen für persönliche Assistenzroboter
  • ISO 14539 Industrieroboter - Werkstückhandhabung mit Fingergreifern - Wörterbuch und Darstellung von Charakteristika
  • ISO 18646-1 Robotik - Leistungskriterien und entsprechende Prüfverfahren für Serviceroboter - Teil 1: Fortbewegung von radgetriebenen Robotern
  • ISO 19649 Mobile Roboter - Wörterbuch
  • ISO/TR 13309 Informative Anleitung über Testeinrichtungen und meßtechnische Verfahren für die Beurteilung von Roboterkenngrößen
  • DIN EN ISO 10218-1 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 1: Roboter
  • DIN EN ISO 10218-2 Industrieroboter - Sicherheitsanforderungen - Teil 2: Robotersysteme und Integration
  • DIN EN ISO 13482 Roboter und Robotikgeräte - Sicherheitsanforderungen für nicht-industrielle Roboter - Nicht-medizinische Haushalts- und Assistenzroboter
  • DIN EN ISO 15066 Roboter und Robotikgeräte - Kollaborierende Roboter

Forschung

Technische Universität Darmstadt

PTW - Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Industriearbeitskreis „Zerspanen mit Industrierobotern“ Im Industriearbeitskreis „Zerspanen mit Industrierobotern“ steht die roboterbasierte Bearbeitung im Mittelpunkt. Dabei werden die folgenden Schwerpunkte in Bezug auf die Bauteilqualität untersucht: • Kompensation der Industrieroboter-Nachgiebigkeiten • Prozessparameter für die spanende Bearbeitung mit Industrierobotern • Entwicklung eine Methode zur Bewertung der Industrieroboter für die Zerspanung

DLR - Institut für Robotik und Mechatronik, Weßling (Oberpfaffenhofen)

Projekt: RACE-LAB „Vereinfachung komplexer interaktiver Handlungsabläufe zwischen Mensch und Maschine sowie stärkere Automatisierung der industriellen Nutzung von Robotern“ Entwicklung einer Programmverwaltung und einer Softwarebibliothek, die verschiedenste Roboterfähigkeiten wie Bohren, Schrauben, Ablegen oder Aufnehmen ermöglichen. Erleichterung komplexer interaktiver Handlungsabläufe zwischen Mensch und Maschine.

KIT - Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe

Institut für Anthropomatik und Robotik (IAR) - Intelligente Prozessautomation und Robotik (IPR)

Taktile Näherungssensoren (TNS)

Methoden für das Explorieren, Manipulieren und die sichere Mensch-Roboter-Interaktion mit taktilen Näherungssensoren bei Industrierobotern.

VariProg – Schnelle Variantenprogrammierung für die Gießereiindustrie

Die Zielsetzung ist die Reduktion der Programmieraufwände für Industrieroboter. Dies erfolgt durch eine Differenzierung in die Aufgabendefinition und die Einhaltung der Prozessrandbedingungen bei der Roboterprogrammierung.

Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg btu

Lehrstuhl Automatisierungstechnik Projekt „COMET“ Plug-and-produce Komponenten und Methoden zur adaptiven Steuerung von Industrierobotern zur Realisierung einer kosteneffektiven, hochgenauen Fertigung in Fabriken der Zukunft.

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz

DFKI Bremen Robotics Innovation Center COROMA Kognitiv verbesserter Roboter für flexible Herstellung von Metall- und Verbundteilen Das Ziel des COROMA-Projekts ist die Entwicklung eines kognitiv verbesserten Industrieroboters, der mehrere Aufgaben zur Fertigung von Metall- und Verbundteilen ausüben kann. Der Industrieroboter wird in der Lage sein sich in einer Fabrik zu bewegen und zu navigieren, in dynamischen Umgebungen Aufgaben zu erledigen und mit verschiedenen Werkzeugen umzugehen.

RWTH Aachen

WZL – Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme HORuS Hochproduktive Roboterkooperation zur spanenden Vorbearbeitung von Großbauteilen

Die Bearbeitung mittlerer bis großer Werkstücke erfolgt derzeit ausschließlich auf Großwerkzeugmaschinen. Dem Werkzeugmaschinenansatz gegenüber steht die Möglichkeit einer spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern, die Vorteile in Flexibilität, Aufstellfläche und Anschaffungspreis bieten. Industrieroboter reichen hinsichtlich Produktivität an die bisherige WZM-Prozesszeit nicht heran, ein Ansatz stellt jedoch die simultane Bearbeitung mit mehreren Robotern dar.

TU Berlin

Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Industrielle Automatisierungstechnik

Industrieroboterprogrammierung durch räumliche Interaktion Ziel des Projektes „Räumliche Industrieroboterprogrammierung“ ist die Entwicklung von intuitiven Methoden zur Unterstützung der manuellen Online-Programmierung von Industrierobotern. Dabei werden verschiedene Programmierebenen (Posen, Trajektorien und Aufgabe) sowie verschiedene Schritte bei der Programmerstellung (Definition, Evaluation, Manipulation) betrachtet.

Robinstone - Fräsen von Freiformen in großvolumigen Natur- und Kunststeinobjekten unter Einsatz von Industrierobotern

Leibniz Universität Hannover

Institut für Mechatronische Systeme IMES Entwurf energieeffizienter mechatronischer Systeme durch Kopplung automatischer Steuerungssynthese und Trajektorienplanung Die Reduzierung des Energieverbrauchs bei Industrierobotern soll durch einen neuen Ansatz zur Rückgewinnung von Bremsenergie in den Roboterachsen erreicht werden.

Generierung aufgabenspezifischer Roboterkinematiken durch kombinierte Struktur- und Maßsynthese Um den Automatisierungsprozess insbesondere von klein und mittelständischen Unternehmen zu unterstützen, wird im Rahmen des Projektes eine neue Methodik zur aufgabenspezifischen Entwicklung seriellkinematischer und parallelkinematischer Industrieroboter erarbeitet

Parallel-kontinuierliche Manipulatoren – Egalisierung strukturindividueller Nachteile durch Kombination von Parallel- und Kontinuumsrobotern In diesem Projekt wird die kinematische Struktur von parallelen Industrierobotern mit kontinuierlichen kinematischen Ketten erforscht. Es soll die hohe Steifigkeit und Genauigkeit paralleler Industrieroboter mit der Dexterität und Manipulierbarkeit kontinuierlicher Roboter kombiniert werden.

Literatur und Nachweise

Weiterführende Informationen auf IndustryArena.com


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