Ratgeber
Die Ursprünge der Industrieroboter liegen in der Reaktortechnik und reichen bis in die 1950er Jahre zurück. Damals wurden die ersten programmierbaren Maschinen entwickelt unter der Zielsetzung, manuelle Arbeitsprozesse in der Industrie zu automatisieren. So gab es bereits 1951 handgesteuerte Roboterarme, die für Arbeiten in radioaktiv belasteten Räumen zum Einsatz kamen, um Menschen vor Strahlung zu schützen. Offiziell wurde der erste Industrieroboter 1954 vom US-Amerikaner George Devol erfunden. Zwei Jahre später gründete er mit seinem Geschäftspartner Joseph F. Engelberger die Robotikfirma Unimate und entwickelte einen gleichnamigen Industrieroboter, der 1961 zu Produktionszwecken bei General Motors eingesetzt wurde. Es folgten weitere Erfindungen von anderen Firmen, die sich vor allem im Automobilsektor etablierten. Diese frühen Roboter waren noch relativ simpel aufgebaut, doch sie legten den Grundstein für eine technologische Revolution, die bis heute anhält.
Dank fortschrittlicher Sensorik, künstlicher Intelligenz und Vernetzung haben sich Industrieroboter von starren, fest programmierten Maschinen zu hochflexiblen und intelligenten Systemen entwickelt. Heute sind sie in nahezu allen Produktionsbereichen unverzichtbar und spielen eine Schlüsselrolle in der Industrie 4.0. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wo Industrieroboter sinnvoll eingesetzt werden können, welche Potenziale sich für die Zukunft eröffnen und worauf bei der Auswahl zu achten ist.
Ein Industrieroboter ist eine automatisierte Maschine, die in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt wird, um bestimmte Aufgaben wie das Montieren, Schweißen, Lackieren, Verpacken oder Palettieren auszuführen.
Im Regelfall handelt es sich um einen Roboterarm (Manipulator), der aus mehreren Gelenken und Achsen besteht und in der Lage ist, sich in verschiedene Richtungen zu bewegen.
An der Spitze des Roboterarms befindet sich der sogenannte Effektor. Er ist als Greifer, Montagewerkzeug oder anderes Instrument ausgeführt und vollzieht die eigentliche Arbeit. Durch ein komplexes Zusammenspiel von Motoren, Sensoren und Steuerung werden eine exakte Positionierung und korrekte Bewegungsabläufe sichergestellt.
Industrieroboter sind programmierbar und imstande, eine Vielzahl von wiederholbaren Abläufen mit hoher Präzision und Geschwindigkeit zu erledigen. Unterschieden werden autonome Roboter, die ihre Aufgaben eigenständig verrichten, und kollaborative Roboter (Cobots), die mit dem Menschen interagieren.
Im modernen Fertigungswesen sind Industrieroboter unverzichtbar geworden, da sie es ermöglichen, trotz steigender Anforderungen an Qualität und Individualisierung kosteneffizient zu produzieren und wirtschaftlich zu bleiben. Sie werden vor allem in der Automobilindustrie und Elektronikfertigung, aber auch in vielen anderen Branchen eingesetzt.
Industrieroboter sind der Inbegriff hochspezialisierter Technik. Sie setzen sich aus einer Vielzahl an Komponenten zusammen, die präzise ineinandergreifen und zusammenarbeiten. Der Aufbau ist dementsprechend komplex. Hier ein Überblick über wesentliche Schlüsselbereiche:
1. Kinematik und Bewegungsabläufe
Die Kinematik beschreibt, wie sich ein Industrieroboter bewegt und wie seine einzelnen Teile miteinander interagieren. Dabei geht es vorrangig um Bewegungsbahnen und deren Steuerung. Industrieroboter sind oft nach dem sogenannten „Industriellen Arm“ aufgebaut, auch Manipulator genannt. Er besteht aus mehreren starren Gliedern, die durch antriebgesteuerte, bewegliche Gelenke miteinander verbunden sind und es dem Roboter ermöglichen, in verschiedenen Richtungen zu arbeiten. Eine gezielte kinematische Planung stellt sicher, dass die Roboter exakte Bewegungsabläufe durchführen, sei es für die Montage, das Schweißen oder Verpacken.
2. Antriebstechnik
Die Antriebstechnik ist entscheidend für die Beweglichkeit und Präzision von Industrierobotern. Meist werden Elektromotoren eingesetzt, die mittels Getriebe und Regelung die einzelnen Gelenke und somit die Glieder des Manipulators in Bewegung versetzen. Je nach Anwendung können auch Pneumatik- oder Hydrauliksysteme zum Einsatz kommen. Das ist vor allem dann der Fall, wenn hohe Kräfte oder schnelle Bewegungen erforderlich sind. Die Antriebstechnik sorgt dafür, dass ein Industrieroboter flexibel und mit hoher Genauigkeit agieren kann.
3. Sensoren und Wahrnehmung
Sensoren spielen eine zentrale Rolle für die Wahrnehmung des Roboters und ermöglichen es ihm, seine Umgebung zu „sehen“ und zu „fühlen“. Sie liefern Informationen zu Positionen, Abständen und Kräften und überwachen diverse Umgebungs- und Betriebsparameter, um auf Veränderungen reagieren zu können und beispielsweise Kollisionen zu vermeiden. Mithilfe von Kameras, Laserscannern oder taktilen Sensoren kann ein Roboter Hindernisse erkennen, Objekte greifen, auf Berührung reagieren und vieles mehr. Auf diese Weise tragen Sensoren maßgeblich zu einem sicheren und effizienten Betrieb bei.
4. Steuerungssysteme
Das Steuerungssystem ist das Gehirn des Industrieroboters. Es sorgt dafür, dass alle Komponenten des Roboters miteinander kommunizieren und zusammenarbeiten. Moderne Roboter nutzen digitale Steuerungen, die komplexe Berechnungen und Aufgabenstellungen schnell verarbeiten können. Die Steuerung dient dazu, die Bewegungen des Roboters zu planen, zu koordinieren und zu überwachen. Zu diesem Zweck verarbeitet sie eingehende sensorische Daten und sendet basierend auf programmierten Algorithmen entsprechende Befehle an die Aktoren. Das ist wiederum Voraussetzung dafür, dass der Roboter seine Aufgaben präzise und effizient ausführen kann.
5. Programmierung von Industrierobotern
Industrieroboter können sowohl online als auch offline programmiert werden, um ihnen spezifische Aufgaben beizubringen. Die Online-Programmierung erfolgt mit dem Roboter, indem er manuell durch die gewünschten Bewegungsabläufe geführt wird und die dazugehörigen Koordinaten entweder speichert (Teach-In-Verfahren) oder die Bewegungen wiederholt (Playback-Verfahren). Die Offline-Programmierung erfolgt in einer unabhängigen Entwicklungsumgebung, etwa an einem separaten Computer. Dadurch kann der Roboter weiterarbeiten und es entfallen keine Stillstandzeiten auf das Anlernen. Die Offline-Programmierung kann textuell, CAD-gestützt, mit Makros oder über Spracheingaben erfolgen. Viele Roboter haben zudem die Fähigkeit, sich durch maschinelles Lernen (Machine Learning) und künstliche Intelligenz weiter zu optimieren und an neue Aufgaben anzupassen.
Industrieroboter gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, die jeweils für bestimmte Arbeitsbereiche und Anwendungen optimiert sind. Die Wahl des richtigen Robotertyps hängt unter anderem davon ab, welche Anforderungen an Flexibilität, Präzision und Geschwindigkeit gestellt werden. Vier häufig genutzte Arten von Industrierobotern sind:
Gelenkarmroboter
Gelenkarmroboter bestehen aus mehreren, aneinandergereihten Gliedern, die eine kinematische Kette bilden und durch aktive Dreh- und Schubgelenke verbunden sind. Sie bieten eine hohe Bewegungsfreiheit und sind in der Lage, komplexe Aufgaben auszuführen, die eine exakte Steuerung und große Reichweiten erfordern. Am gebräuchlichsten sind Gelenkarmroboter mit sechs Achsen, die mehrere Arbeitsgänge hintereinander erledigen können. Es gibt aber auch Varianten mit fünf oder sieben Achsen.
Gelenkarmroboter eignen sich sehr gut für Anwendungen wie das Schweißen, Montieren, Lackieren und für das Handling von Bauteilen. Aufgrund ihrer Flexibilität werden sie in verschiedenen Branchen wie der Automobilproduktion, der Elektronikfertigung und der Pharmaindustrie eingesetzt.
SCARA-Roboter
SCARA-Roboter (SCARA = Selective Compliance Assembly Robot Arm) wurde speziell für präzise Montage- und Fügeaufgaben sowie für „Pick and Place“-Anwendungen (Bauteil aufnehmen und anderswo platzieren) entwickelt. Er basiert ebenfalls auf serieller Kinematik, hat im Gegensatz zu den sechsachsigen Gelenkarmrobotern jedoch nur vier Achsen, die sich auf drei Rotations- und eine Linearachse aufteilen. Der Arm besteht aus zwei parallelen Gelenken und ist in erster Linie auf der horizontalen Ebene ausgelegt, wohingegen der Bewegungsbereich auf vertikaler Ebene begrenzt ist. Das hat zwar den Nachteil, dass ein SCARA-Roboter auf einen sehr spezifischen Arbeitsbereich beschränkt ist, dafür kann er jedoch vor allem kleinteilige Aufgaben (Einsetzen von Bauteilen, Schrauben etc.) mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit ausführen. Abgesehen davon sind SCARA-Roboter platzsparender gebaut und kostengünstiger in der Anschaffung. Sie finden unter anderem Anwendung in der Elektronikmontage und in der Lebensmittelindustrie.
Delta-Roboter
Delta-Roboter beruhen auf einer parallelen Kinematik, also parallel angeordneten Achsen. Sie bestehen aus mindestens drei Armen, die sich um einen gemeinsamen Punkt bewegen und an der Basis über ein Kreuzgelenk miteinander verbunden sind. Die Basis hängt an der Decke, so dass die Arme spinnenbeinartig nach unten ragen. An den Enden sind sie mit einer Plattform verbunden, die die Arme in Richtung X-, Y- oder Z-Achse bewegt.
Die Konstruktion erinnert an den griechischen Buchstaben Delta, woraus sich die Bezeichnung der Roboter ableitet. Ein großer Vorteil dieser Bauart ist ihre enorme Präzision, da sich Positionsfehler und Ungenauigkeiten nicht summieren, wie es bei Robotern mit serieller Kinematik der Fall ist. Außerdem erreichen sie sehr hohe Geschwindigkeiten. Delta-Roboter eignen sich daher sehr gut für schnelles Verpacken und „Pick and Place“-Anwendungen.
Cobots
Cobots (Collaborative Robots) sind Roboter, die für die Zusammenarbeit mit Menschen vorgesehen sind. Sie sind so konzipiert, dass sie ohne schützende Barrieren direkt neben dem Arbeiter oder der Arbeiterin operieren können. Möglich macht das eine umfassende Ausstattung mit Sensoren. Sie sorgen beispielsweise dafür, dass sich der Roboter sofort ausschaltet, sobald er ein Hindernis berührt. Cobots sind in der Regel kleiner und leichter als herkömmliche Industrieroboter und können einfach programmiert, in verschiedene Arbeitsumgebungen integriert und an wechselnde Aufgaben angepasst werden. Sie kommen häufig in kleineren Fertigungsbetrieben zum Einsatz, in denen sie einfache Prozesse wie das Handhaben von Werkzeugen, das Transportieren von Bauteilen oder das Montieren von Produkten übernehmen.
Industrieroboter sind in Industrie und Produktion unverzichtbar geworden. Sie ermöglichen es, repetitive und potenziell fehleranfällige Prozesse zu automatisieren und eine gleichbleibende Qualität sicherzustellen. Hier eine Auswahl an Branchen, in denen Industrieroboter regulär eingesetzt werden:
- Automobilindustrie: Industrieroboter sind in der Automobilindustrie längst etabliert und werden in so gut wie jedem Herstellungsschritt eingesetzt, sei es beim Schweißen, Lackieren, bei der Karosseriemontage oder beim Zusammenbau von Fahrzeugteilen.
- Elektronik- und Hardwarefertigung: Industrieroboter kommen typischerweise bei der Herstellung von Platinen, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten zum Einsatz, da sie eine exakte Montage kleiner Bauteile ermöglichen. Auch zum Zweck der Qualitätssicherung werden Industrieroboter genutzt, etwa für Funktionstests und Inspektionsprozesse.
- Maschinen- und Anlagenbau: Roboter helfen dabei, komplexe Bauteile zu fertigen und anspruchsvolle Montagearbeiten bei der Produktion von Maschinen und Anlagen durchzuführen.
- Kunststoff- und Metallindustrie: In der Kunststoffindustrie werden Roboter bei Herstellungsprozessen wie dem Spritzgießen verwendet, während sie in der Metallverarbeitung vorrangig zum Schweißen, Schleifen und Schneiden zum Einsatz kommen.
- Logistik: In modernen Logistikzentren werden Roboter zur Sortierung, Palettierung und zum Transport von Waren genutzt.
Industrieroboter sind weniger als autarke Maschinen, sondern vielmehr als Bestandteile moderner Produktionssysteme zu verstehen. Die Integration erfolgt auf mehreren Ebenen:
Automatisierung von Fertigungsprozessen: Roboter übernehmen Arbeiten, die oft repetitiv sind oder ein hohes Maß an Genauigkeit erfordern. Sie liefern zu jedem Zeitpunkt zuverlässige Ergebnisse und helfen dabei, eine gleichbleibend hohe Qualität sicherzustellen. Die Automatisierung von Aufgaben ist auch eine Entlastung für Mitarbeitende, vor allem, wenn es um monotone, potenziell gefährliche oder gesundheitsschädliche Tätigkeiten geht.
Kollaborative Produktion: Moderne Systeme ermöglichen eine Mensch-Roboter-Kollaboration. Das hat den Vorteil, dass man schnell und flexibel auf Veränderungen reagieren und Produktionsprozesse anpassen kann. Dank fortschrittlicher Sensorik und Steuerungssysteme können Mensch und Maschine in derselben Umgebung koexistieren, ohne dass die Sicherheit der Mitarbeitenden beeinträchtigt wird.
Vernetzte Produktionssysteme: Roboter werden oft in übergeordnete Steuerungssysteme wie Manufacturing Execution Systems (MES) oder Enterprise Resource Planning (ERP) integriert, um mit anderen Anlagen zu kommunizieren und sich mit weiteren Produktionskomponenten abstimmen zu können. Das hilft dabei, Fertigungsprozesse besser zu überwachen. Durch die kontinuierliche Erfassung und Analyse von Betriebsdaten fällt es leichter, Fehler zu diagnostizieren und Wartungsmaßnahmen zu planen. Das kommt letztlich auch der Produktivität zugute.
Modulare und flexible Fertigungszellen: Roboter sind in modularen Produktions- oder Montagezellen einsetzbar, die schnell an wechselnde Anforderungen angepasst werden können. Das ist besonders in Branchen mit hoher Produktvielfalt vorteilhaft. Ein großer Vorzug ist auch die Skalierbarkeit. So können Unternehmen durch den Einsatz von Industrierobotern ihre Produktionskapazitäten relativ unkompliziert erweitern oder modifizieren.
Qualitätssicherung und Prozessoptimierung: Durch den Einsatz von Robotern lassen sich gleichbleibende Arbeitsabläufe und konstante Ergebnisse sicherstellen. Schwankungen im Produktionsprozess werden so auf ein Minimum reduziert. Zudem ermöglichen Sensoren eine kontinuierliche Überwachung, um Fehler frühzeitig erkennen und beheben zu können.
Zukünftig werden Industrieroboter vermutlich noch stärker in Produktionssysteme eingebettet. Mit der Weiterentwicklung von künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und dem Internet der Dinge steht zu erwarten, dass sich auch die Fähigkeiten der Roboter verbessern. Sie werden zunehmend flexibler, autonomer und lernen schneller, wodurch sie Aufgaben noch präziser und effizienter ausführen und in Echtzeit auf Veränderungen in der Produktionsumgebung reagieren können.
Gleichzeitig steht die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine weiter im Fokus.
Kollaborative Roboter werden in immer mehr Umgebungen Seite an Seite mit menschlichen Arbeitskräften agieren und vor allem monotone, riskante oder belastende Tätigkeiten übernehmen.
Auch die Modularität und Skalierbarkeit der Systeme wird zunehmen, so dass Produktionslinien in Zukunft noch schneller an sich ändernde Marktanforderungen und Individualisierungswünsche angepasst werden können.
Es ist absehbar, dass Industrieroboter künftig einen noch bedeutenderen Beitrag zur Steigerung der Effizienz, Sicherheit und Wettbewerbsfähigkeit in der Fertigungsindustrie leisten und eine zentrale Rolle in den smarten Fabriken von morgen spielen.
Bei der Auswahl eines Industrieroboters sollten Sie in erster Linie darauf achten, dass er zu den Anforderungen des geplanten Einsatzes passt. Muss der Roboter schwere Lasten heben, präzise Montagearbeiten durchführen oder schnelle Bewegungen ausführen? Diese Fragen bestimmen, welche technischen Eigenschaften wichtig sind und welche Anforderungen sich im Hinblick auf die nötige Traglast, Reichweite, Geschwindigkeit und andere Parameter ergeben. Des Weiteren spielt die Integration in die bestehende Produktionsumgebung eine Rolle. Es ist wichtig, dass der Roboter problemlos in die vorhandene Steuerungs- und IT-Infrastruktur eingebunden werden kann. Neben den technischen Details sollten Sie auf Benutzerfreundlichkeit achten, denn einfache Programmierungs- und Anpassungsmöglichkeiten sparen Zeit und reduzieren den Schulungsaufwand. Sicherheit ist ein weiterer entscheidender Faktor, vor allem wenn Roboter und Menschen im gleichen Raum arbeiten oder miteinander agieren. Zusammenfassend lässt sich sagen: Eine gründliche Analyse der Aufgaben, der technischen Anforderungen und der Kompatibilität mit bestehenden Systemen hilft Ihnen dabei, einen Roboter auszuwählen, der Ihre Produktionsprozesse optimiert und langfristig effizienter macht.
Bevor Sie einen Roboter in Ihre Produktionsumgebung integrieren, sollten Sie Ihre bestehenden Abläufe gründlich überprüfen und gegebenenfalls optimieren. Denn: Ein ineffizienter Prozess bleibt auch mit einem Roboter ineffizient. Berücksichtigen Sie außerdem nicht nur die aktuellen Anforderungen, sondern kalkulieren Sie zukünftige Entwicklungen mit ein. Sollten sich Ihre Produktionsbedingungen ändern, ist es sinnvoll, ein einen Roboter zu investieren, der sich an neue Aufgaben anpassen lässt. Modulare Systeme und Cobots bieten dahingehend viel Flexibilität.
Welche Programmiersprachen werden verwendet?
Viele Roboterhersteller bieten eigene Programmiersprachen an, die speziell auf ihre Systeme zugeschnitten sind. Dazu zählen KRL (KUKA Robot Language) für Roboter von KUKA, RAPID für Roboter von ABB, Karel für Roboter von FANUC und VAL3 für Roboter von Stäubli. Für komplexe Anwendungen werden aber auch universelle Programmiersprachen wie Python oder C++ genutzt, die sich vor allem in modernen Industrie-4.0.-Umgebungen zunehmend durchsetzen.
Wie lange dauert die Amortisation?
Die Amortisationszeit eines Industrieroboters hängt in erster Linie von den Anschaffungskosten, den Einsparungen durch die Automatisierung und die Effizienzsteigerung in der Produktion ab. Zur Veranschaulichung: Einfache Cobots kosten 20.000 bis 50.000 Euro, während komplexe Industrieroboter mit Zusatzsystemen mit 100.000 Euro oder mehr zu Buche schlagen. Zusätzliche Kosten entstehen für Greifer, Sensoren, Software und Integrationsmaßnahmen in bestehende Systeme. Auf der anderen Seite sparen Sie Personalkosten, wenn der Roboter Tätigkeiten Ihrer Arbeitskräfte übernimmt. Durch die höhere Produktionsgeschwindigkeit und geringere Fehlerquoten reduziert sich der Ausschuss und der Aufwand für die Nachbearbeitung sinkt. Das spart ebenfalls Zeit und Geld. Zwar müssen Sie regelmäßige Energie- und Wartungskosten einkalkulieren, moderne Roboter arbeiten jedoch energieeffizienter als alte Maschinen. Grundsätzlich lässt sich sagen: Je höher das Produktionsvolumen, desto schneller die Amortisation.