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Die Suche nach dem passenden Roboter

Text: Andreas Pott, Fraunhofer IPA
Praxisnahe Kenntnisse sind wesentlich für Unternehmen, wenn der Einsatz eines wirtschaftlichen Robotersystems geplant wird. Fehlt diese Erfahrung, so hilft ein Dienstleister von der ersten Idee bis hin zur Integration passender Roboter.

Zahlreiche Prozesse in der Produktion sind heute automatisierbar. Hierzu zählen beispielsweise Handhaben, Schweißen, Montieren, Bearbeiten oder Beschichten. Und der Einsatz von Automatisierung nimmt stetig zu.

Sinkende Kosten der Komponenten sowie verbesserte Leistungen, etwa von Sensoren zur Reaktion auf Toleranzen des Werkstücks oder von einer optimierten Prozessregelung, tragen maßgeblich zur Produktivitätssteigerung mit Automatisierungslösungen bei.

Spezifika eines Roboters

Für produzierende Betriebe steht eine Vielzahl unterschiedlicher Robotertypen zur Auswahl. Dies beginnt mit dem mechanischen Aufbau der Kinematik, der seriell, also mit nacheinander angeordneten Achsen, oder parallel aufgebaut sein kann. Serielle Roboter bilden mit rund 95 Prozent den größten Marktanteil. Parallele Roboter wie zum Beispiel Deltaroboter (mit einem an schlanken Stäben geführten Werkzeug) oder Seilroboter, also einem mit acht Seilwinden bewegten End-Effektor, sind hingegen mit einem Anteil von fünf Prozent Sonderformen. Zu den zwei Grundformen gehören jeweils verschiedene Bauarten, die sich hinsichtlich der Anzahl der Freiheitsgrade, Geschwindigkeit, erreichbarer Taktzeit, Traglast (einige hundert Gramm bis mehrere Tonnen), Genauigkeit sowie des Arbeitsraums unterscheiden.

Knickarmroboter bieten eine gut Zugänglichkeit sowie Beweglichkeit und verfügen über eine gute Wiederholgenauigkeit. Sie eignen sich für kleine bis große Nutzlasten und typische Prozesse wie Schweißen, Kleben und Handhaben. Scara-Roboter sind mit drei oder vier Freiheitsgraden eingeschränkt beweglich und können sich sehr schnell in kleinen Arbeitsräumen und mit geringen Nutzlasten bewegen. Sie werden überwiegend für Montage oder Pick-and-Place genutzt.

Portalroboter sind vor allem für sehr große Bewegungen und hohe Nutzlasten konstruiert und werden zur Maschinenbestückung, für Pick-and-Place-Aufgaben, als Regalbediengerät oder für das Kommissionieren genutzt. Gegenüber den seriellen Robotern zeichnen sich parallele Roboter durch eine hohe Steifigkeit und Genauigkeit sowie sehr hohe Dynamik aus. Neben Pick-and-Place-Aufgaben werden sie vor allem für maßgeschneiderte Sondermaschinen eingesetzt. Auch bezüglich der Kosten unterscheiden sich die Roboter. Für die aus Anwendersicht relevanten Systemkosten ist allerdings der Roboter nur teilweise verantwortlich. Ein wesentlicher Anteil entfällt auf Werkzeuge, Sicherheitseinrichtungen und das Engineering, welche erst aus einem Roboter ein Produktionssystem machen. Konkret bedeutet das: Die Kosten einer Roboterzelle betragen in der Regel das Vier- bis Fünffache des Roboters.

Intelligent gesteuert

Die Steuerung eines Robotersystems sorgt für den operativen Betrieb des Systems, die Kommunikation der einzelnen Komponenten sowie die Bedienung durch den Anwender. Sie ist in verschiedenen Ebenen organisiert. Der Roboter wird an die Leitebene angeschlossen, welche für das Lenken, Zusammenfassen und Verwalten der Produktion verantwortlich ist. Die Zellenebene dient der Koordination und dem Verteilen von Roboterprogrammen oder der Verwaltung von Werkzeug- und Werkstückdaten. Auf der Robotersteuerungsebene erfolgt das Programmieren und Verarbeiten.

Robotersteuerungen verfügen über Schnittstellen zur Integration von Sensoren, zusätzlichen Bewegungsachsen, Prozessmodulen und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Manche Hersteller bieten integrierte Sicherheitsfunktionen, die die Bewegung des Roboters zuverlässig einschränken. Optional können Steuerungen auch Pakete enthalten, die etwa Funktionen für das Schweißen bieten. Hinsichtlich der erzeugten Bewegungen können schnelle Bewegungen von Punkt zu Punkt ausgeführt werden (beispielsweise Punktschweißen) oder geometrisch exakt definierte Bahnen erzeugt werden, die eine exakte Raumkurve abfahren, was etwa für das Bahnschweißen und Bearbeiten genutzt wird.

Wirtschaftliche Robotersysteme realisieren

Unternehmen, die bisher wenig Erfahrung mit der Planung und dem Einsetzen eines Robotersystems haben, sollten dieses mithilfe von Automatisierungsexperten strukturiert planen. Wichtig hierfür ist ein methodengeleitetes Vorgehen, damit eine sichere Entscheidungsgrundlage vorliegt. Dieser Planungsprozess sollte sowohl klaren Richtlinien folgen als auch beim Gesamtsystem und den Teilsystemen alle möglichen Lösungen einschließlich der Kalkulation aller Kosten betrachten.

Den folgenden Punkten kommt dabei besondere Beachtung zu: Ist der Prozess überhaupt wirtschaftlich automatisierbar beziehungsweise was wäre zu ändern, um dies zu erreichen? Welche Komponenten benötigt das Robotersystem, um den Prozess erfolgreich auszuführen? Dies beginnt mit dem Roboter, betrifft aber genauso den Endeffektor, die Steuerung, die Sensorik und gegebenenfalls Machbarkeitsanalysen. Auch die bestehende IT-Infrastruktur und die Integration der Zelle in eben diese gilt es zu berücksichtigen.

Das Fraunhofer IPA steht Unternehmen von der ersten Idee für eine Automatisierung über Potenzialanalysen, Machbarkeitsstudien, Konzepte bis hin zur Realisierung und Integration eines Robotersystems oder auch für die Effizienzsteigerung bestehender Anlagen als fachkundiger und neutraler Technologiepartner zur Seite. Die Experten bieten verschiedene Technologien und Anwendungen für Unternehmen aller Branchen und Größen an.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA führt am 13. September 2016 auch eine Veranstaltung Entscheidungskompetenz Robotersysteme in Stuttgart durch. Informationen zur Veranstaltung finden Sie auf der Webseite des Instituts .

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