Industrielle Robotersysteme

Industrieroboter sind ein bewährtes und weitverbreitetes Produktionsmittel, das erhebliche Potenziale zur Rationalisierung und Qualitätssteigerung in der Produktion bietet. Damit tragen sie dazu bei, auf die Anforderungen einer Produktion in Hochlohnländern (Brecher Hrsg., Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer. Springer, Berlin, 2011) wie z. B. Deutschland zu reagieren und die entsprechende Wertschöpfung zu erhalten. Die Automobilbranche ist gegenwärtig der größte Abnehmer und Anwender von Industrierobotern. Zunehmend werden Roboter aufgrund des technischen Fortschritts und Preisverfalls auch in anderen Branchen eingesetzt. Die größten Märkte für Roboter sind China, Korea, Japan, die Vereinigten Staaten von Amerika und Deutschland. Der Einsatz von Robotern erfordert immer die Integration des Roboters mit weiteren Komponenten wie z. B. Endeffektoren, Hilfsmitteln zum Materialtransport, Sicherheitseinrichtungen und Vorrichtungen. Hierbei entstehen wesentliche Kosten. Der Einsatz von Industrierobotern wird durch neue technische Entwicklungen und der daraus resultierenden steigenden Leistungsfähigkeit und aufgrund des wachsenden Fachkräftemangels für viele Applikationen immer Erfolg versprechender.

Der Industrieroboter ist die zentrale Komponente einer Roboterzelle. Da der Roboter seitens der Hersteller als Universalmaschine entworfen und produziert wird, ist bei der Einsatzplanung eine Auswahl aus den verfügbaren Robotermodellen zu treffen. Bei einigen Bauformen von Portalrobotern, modularen Gelenken und einigen parallelen Robotern können auch applikationsspezifisch konfigurierte Roboter zum Einsatz kommen. Dagegen sind für typische Produktionsaufgaben die Entwicklungsaufwände für einen neuen Roboterarm ökonomisch nicht zu rechtfertigen. Eine der Stärken von Industrierobotern besteht gerade darin, dass diese als Katalogprodukte nach definierten Standards und Leistungsdaten verfügbar sind. Die unterschiedlichen Bauformen von Robotern eignen sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften für verschiedene Arten von Anwendungen. Vorherrschend sind dabei mit großem Abstand die Vertikalknickarmroboter. Portalroboter werden häufig zur Versorgung von Maschinen eingesetzt. Parallelroboter sind insbesondere in der Handhabung in der Verpackungstechnik verbreitet. Die wichtigsten Eigenschaften von Robotern sind deren Steuerungsfunktionen, Beweglichkeit, Arbeitsraum, Traglast, Bewegungsdynamik, Zugänglichkeit, Genauigkeit und Steifigkeit.

Der Roboter als Universalmaschine kann eine frei programmierbare Bewegung mit seinem Flansch erzeugen. Um einen wertschöpfenden Prozess auszuführen, muss an den Flansch eine Funktionseinheit angeschlossen werden, die diesen Prozess bewirkt. Diese Komponente wird in der Robotik Endeffektor genannt. Endeffektoren werden in drei Gruppen eingeteilt: Greifer, Werkzeuge und Mess-/Prüfmittel (Abb. 3.1). Einige Arten von Endeffektoren sind in Abb. 3.2 typischen Roboterprozessen zugeordnet. Am häufigsten kommen Greifer als Endeffektoren zum Einsatz. In der Handhabung, die ca. 50 % der Roboterprozesse ausmacht, werden ausschließlich Greifer verwendet. Bei den übrigen Prozessen kann mit einem Greifer werkstückgeführt automatisiert werden (Abb. 3.3). Dabei wird das Prozesswerkzeug innerhalb der Roboterzelle stationär angeordnet und das Werkstück wird mittels des Roboters zu dieser Prozessstation hingeführt. Mit diesem Verfahren lassen sich längere Abfolgen von automatisierten Prozessen mit einem einzigen Roboter umsetzen, wenn die Flexibilität im Vordergrund steht und nur ein geringer Durchsatz erforderlich ist. Bei der werkzeuggeführten Automatisierung trägt der Roboter das Werkzeug bzw. das Mess- oder das Prüfmittel. Dabei wird das Werkstück in einer Vorrichtung oder einem Spannmittel fixiert. Diese Form der Automatisierung wird angewendet, wenn die Werkstücke sehr groß bzw. schwer sind oder wenn die Werkstücke bereits in geeigneten Vorrichtungen wie Werkstückträgern vorliegen. Zudem ist es bei der werkzeuggeführten Automatisierung einfach möglich, dass mehrere Roboter gleichzeitig ein Werkstück bearbeiten.

Die Steuerung erweckt den Roboter zum Leben und ist der Schlüssel zur automatischen und weitgehend autonomen Ausführung von Aufgaben. Der wesentliche Nutzen von Robotern ergibt sich daraus, dass ihre Bewegung für eine Vielzahl von Anwendungen durch die Steuerung programmiert werden kann. Damit kann ein Roboter des gleichen Typs durch Konfiguration als Handhabungsgerät, als Schweißroboter oder als Bearbeitungsmaschine verwendet werden. Neben der Bewegung des Roboters interagiert die Robotersteuerung mit Peripheriegeräten des Roboters und übergeordneten Steuerungen. Im Gegensatz zu anderen computergesteuerten Maschinen wird die mit einem Roboter genutzte Steuerung praktisch immer vom Hersteller des Roboter geliefert, d. h. das Fabrikat des Roboters definiert auch gleichzeitig die verwendete Steuerung.

Die freie Programmierbarkeit von Bewegungen ist definitionsgemäß eine bestimmende Eigenschaft von Robotern. Durch die Programmierbarkeit können Bewegungen und damit ausgeführte Aufgaben von Robotern allein durch Änderungen in der Software des Roboters angepasst werden. Dies macht Roboter zu extrem flexiblen, vielfältig einsetzbaren Betriebsmitteln für die Produktion. Die erfolgreiche Ausführung von Produktionsaufgaben erfordert dabei die genaue und wiederholbare Ausführung von zum Teil komplexen Bewegungen. Dem Roboter müssen diese Bewegungen durch den Menschen beigebracht werden. Im folgenden Kapitel wird beschrieben, wie dies mittels Online- oder Offlineprogrammierung  geschieht. Neben der Befähigung des Roboters zur Ausführung seiner Aufgaben ist die Programmierung oft auch zur frühzeitigen Überprüfung von Planungsdaten notwendig. So werden Roboterzellen heute häufig virtuell in Betrieb genommen und programmiert, bevor Hardware aufgebaut wird. Dies erlaubt es, Taktzeiten und Ausbringung der Roboteranlage abzuschätzen sowie die Planung der Roboteranlage zu überprüfen.

Die Realisierung von Roboteranlagen erfordert das Zusammenspiel verschiedener Akteure in einem technisch komplexen und vielschichtigen Projekt. Wichtig hierbei ist, dass eine klare Projektorganisation und gute Kommunikationswege existieren, um technische und organisatorische Probleme schnell lösen zu können und um sicherzustellen, dass alle Akteure über den gleichen Informationsstand verfügen. Dabei ist die schriftliche Dokumentation aller Festlegungen sehr wichtig. Durch die technische Komplexität von Roboteranlagen kommt es während der Entwicklung meist zu Änderungen an Konzept und technischer Ausgestaltung. Die Auswirkungen dieser Änderungen auf den Projektabschluss und die Abnahme der Anlage sollten dabei immer schriftlich fixiert werden, um Missverständnisse zu vermeiden. Im Projektlebenszyklus der Anlage geht die Verantwortung kontinuierlich vom Systemintegrator auf den Endnutzer über. Während der Projektanbahnung ist insbesondere darauf zu achten, klar und offen über erreichbare technische Leistungseigenschaften der Anlage zu sprechen. Dies erfordert neben dem Vertrieb des Systemintegrators und der Komponentenhersteller die Einbindung technischer Fachleute. Die Entwicklung und der Hauptanteil der Integration der Anlage findet durch den Systemintegrator auf dessen Betriebsgelände statt. Diese Phase endet mit der Vorabnahme (Factory Acceptance Test, FAT). Fehler sollten so weit wie möglich in dieser Phase beseitigt werden, bevor die Anlage zum Endnutzer ausgeliefert wird. Bei der Inbetriebnahme beim Endnutzer sind zahlreiche Tätigkeiten zur Integration der Roboteranlage mit bestehenden Maschinen und der Infrastruktur des Endnutzers notwendig und der Zugang zur Anlage ist erschwert. Daher sollten konzeptionelle Probleme auf jeden Fall noch beim Systemintegrator vor der Auslieferung behoben werden. Der Endnutzer muss seine Produktion entsprechend für die Installation der Anlage vorbereiten und die notwendige Infrastruktur zur Integration bereitstellen. Gerade in der Anfangsphase ist dabei mit Produktionsunterbrechungen zu rechnen. Im Betrieb ist der Endnutzerfür die wirtschaftliche Nutzung der Anlage verantwortlich. Er sollte den Anlageneinsatz kontinuierlich überprüfen, um die Einplanung der Anlage in der Produktion optimieren zu können. Zur Behebung von Störungen sind eine schnelle Reaktionsfähigkeit des Systemintegrators und eine entsprechende Schulung des Personals des Endnutzers wichtig.

Automatisierungsprojekte entstehen im Zusammenhang mit konkreten Produktionsaufgaben. In den meisten Fällen bildet eine Fertigung eines bereits existierenden Produkts den Ausgangspunkt der Betrachtung, ob eine Rationalisierung durch den Einsatz von Automatisierung möglich ist. Dabei ist a priori nicht klar, ob und wenn ja welche Arbeitsinhalte durch einen Automaten oder Industrieroboter ausführbar sind. Vor dem eigentlichen Automatisierungsprojekt steht daher die Identifikation der zu automatisierenden Prozesse. Der Weg zu einer durch Automatisierung rationalisierten Produktion beginnt daher mit der Bewertung der Automatisierbarkeit, welche anhand von sogenannten Potenzialanalysen durchgeführt wird. Das Ziel dabei ist, einen Schätzwert für die technische Machbarkeit, die potenzielle Einsparung und die notwendigen Investitionskosten  zu erhalten, so dass eine fundierte Entscheidung getroffen werden kann, ob in eine Automatisierung investiert werden sollte. Dabei können überlagerte Methoden, wie z. B. die des Wertstromdesigns [1], Anhaltspunkte geben, in welchem Bereich eine detaillierte Betrachtung der Automatisierbarkeit sinnvoll ist. Der zweite Schritt ist die Konzeption eines automatisierten Prozesses. Dieser Prozess soll in vielen Fällen einen bisher manuell ausgeführten Prozess ersetzen, wobei die bei der manuellen Fertigung vergleichsweise hohen Lohnkosten  durch die geringeren laufenden Kosten einer Roboterzelle ersetzt werden sollen. Ist die Ersparnis bei den laufenden Kosten hinreichend hoch, lohnt sich die initiale Investition und das Automatisierungsprojekt ist wirtschaftlich sinnvoll. Mitunter werden auch Roboter zur Automatisierung von Prozessen erwogen, die bereits mit einer anderen Maschine durchgeführt werden, wobei der Roboter Vorteile in Bezug auf Zeit, Qualität oder Kosten verspricht. Die Erfahrung zeigt, dass häufig keine eindeutige Entscheidung über die wirtschaftlische Automatisierung getroffen werden kann, ohne spezifische Aspekte der Applikation genauer zu untersuchen. Dies kann je nach Aufgabe in experimentellen Machbarkeitsuntersuchungen oder anhand von Simulationen geschehen. Wenn das Risiko für eine Investition hinreichend gut beherrscht ist, folgt schließlich die Realisierung, in der die Anlage gebaut und in Betrieb genommen wird.

Die Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Roboteranlagen ist aufgrund der Eigenschaft von Roboteranlagen als Sondermaschinen aufwendig. In der Regel sind Informationen aus vergangenen Projekten nur teilweise übertragbar und liegen nur bei einem Projektpartner vor. Daher sind meist zahlreiche Annahmen und Abschätzungen notwendig. Eine Bewertung sollte stets über den gesamten Lebenszyklus der Anlage erfolgen. Dabei werden verschiedene Handlungsoptionen miteinander verglichen, z. B. der manuelle Prozess und die Investition in eine Automatisierung. Bei typischen Prozessen lohnt sich der Robotereinsatz in der Regel nur im Zwei- oder Dreischichtbetrieb.

Die Gewährleistung der Sicherheit aller mit der Roboteranlage arbeitenden Personen ist eine in der Maschinenrichtlinie geregelte, gesetzlich vorgeschriebene Grundvoraussetzung zum Betrieb. Basiswerkzeuge zur Analyse von Risiken und zum Treffen erforderlicher Maßnahmen sind dabei die Risikobeurteilung des Systemintegrators und die Gefährdungsbeurteilung des Anlagenbetreibers. Oftmals werden diese Maßnahmen als notwendiges Übel empfunden und erst gegen Ende der Entwicklungsphase durchgeführt. Dadurch können teure Nachbesserungsmaßnahmen notwendig werden, wenn in der Entwicklung Risiken übersehen wurden. Die frühzeitige Durchführung der Analysen kann das Risiko von Zusatzkosten verringern und häufig auch die Planungsqualität der Anlage verbessern. Die frühzeitige Einbeziehung benannter Stellen, wie z. B. der zuständigen Berufsgenossenschaft, ist sinnvoll und empfehlenswert.

Wie in diesem Buch beschrieben, umfasst die industrielle Robotik zahlreiche organisatorische und technische Fachbereiche. Um wirtschaftliche Robotersysteme erfolgreich planen und umsetzen zu können, müssen die Abhängigkeiten und Zielkonflikte in diesen Disziplinen im Hinblick auf die jeweilige Produktionsaufgabe aufgelöst werden. Die wesentlichen Erkenntnisse des Buches hierzu werden im folgenden Abschnitt zusammengefasst. Die Robotik partizipiert dabei am Fortschritt in ihren Teildisziplinen. Aufgrund der zahlreichen Arbeitsfelder und Innovationsansätze ist es dabei schwierig, einen Überblick über aktuelle Entwicklungen zu behalten und vorherzusagen, welche Ansätze sich in der Praxis durchsetzen werden. Der zweite Teil dieses Kapitels gibt hierzu einen Überblick über aktuelle Trends, Ansätze in der Robotikforschung und Technologien, die gerade ihren Weg in die Praxis finden. Hierdurch sollen mögliche Entwicklungsrichtungen der industriellen Robotik aufgezeigt werden.