Von klassischen Systemen zu intelligenten Lösungen Roboter im Wandel: Grundlagen der industriellen Robotik

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Roboter befinden sich in einer Phase des Wandels von starren, programmierbaren Robotik-Systemen hin zu intelligenten, adaptiven Lösungen. Während klassische Industrieroboter weiterhin ihre Stärken in spezialisierten, hochproduktiven Anwendungen ausspielen, eröffnet KI völlig neue Perspektiven. Der folgende Artikel gibt einen Überblick.

Die industrielle Robotik hat sich in den letzten Jahrzehnten von einfachen programmierbaren Maschinen zu hochentwickelten, kognitiven Systemen entwickelt. Diese Entwicklung prägt nicht nur die moderne Fertigungsindustrie, sondern definiert auch die Zukunft der Automatisierung neu. Doch zurück zu den Anfängen der Industrierobotik. Die reichen bis in die 1950er Jahre zurück.

Klassische Industrieroboter

Die ersten Vorläufer entstanden in der Reaktortechnik. Raymond Goertz konstruierte 1951 einen Teleoperator-Arm für den sicheren Umgang mit radioaktivem Material. Den entscheidenden Durchbruch erzielte George Devol, der 1954 den ersten programmierbaren «Unimate» Roboter patentieren liess und zusammen mit Joseph F. Engelberger 1956 die weltweit erste Robotikfirma Unimation gründete. Der Unimate wurde 1961 erstmals bei General Motors im industriellen Massstab eingesetzt und revolutionierte die Fertigung durch die automatische Handhabung von Spritzgussteilen. Ein weiterer Meilenstein folgte 1973, als Kuka den weltweit ersten Industrieroboter mit sechs elektromechanisch angetriebenen Achsen entwickelte, der wesentlich flexiblere Bewegungsabläufe ermöglichte. Diese technologischen Fortschritte markierten den Übergang von hydraulischen zu elektrischen Antriebssystemen, die noch heute den Standard in der Industrierobotik bilden.

Die Automobilindustrie stellt das bedeutendste Einsatzgebiet für klassische Industrieroboter dar und unterhält weltweit über eine Million Robotereinheiten. Hier übernehmen die Maschinen präzise Schweissarbeiten an Karosserien, führen komplexe Lackierungsprozesse durch und montieren Motoren sowie elektronische Komponenten. Die hohe Wiederholgenauigkeit und Geschwindigkeit der Roboter ermöglicht es, gleichbleibend hohe Qualitätsstandards bei der Massenfertigung von Fahrzeugen zu gewährleisten. Neben der Automobilbranche finden Industrieroboter auch in der Elektronikfertigung breite Anwendung, wo sie filigrane Bauteile präzise montieren und löten. In der Metallverarbeitung übernehmen sie schwere Hebevorgänge und gefährliche Schneidarbeiten, während sie in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie hygienische Verpackungs- und Abfüllprozesse automatisieren. Die Vielseitigkeit moderner Industrieroboter zeigt sich auch in ihrer Fähigkeit zur Qualitätskontrolle durch integrierte Bildverarbeitungssysteme.

Die grösste Hürde für viele Unternehmen stellen die hohen Anschaffungs- und Integrationskosten dar, die besonders kleine und mittlere Betriebe vor finanzielle Herausforderungen stellen. Zusätzlich entstehen laufende Kosten für Wartung, Reparaturen und notwendige Softwareupdates, die in die Gesamtkalkulation einbezogen werden müssen. Der Betrieb erfordert speziell geschultes Fachpersonal für Programmierung, Wartung und Überwachung, was zusätzliche Personalkosten verursacht.

Knickarmroboter

Je nach Anwendung gibt es auch in der klassischen Industrierobotik verschiedene Robotertypen. Am häufigsten eingesetzt wird der Knickarmroboter, der etwa 60 Prozent aller industriellen Roboteranlagen weltweit ausmacht. Sie verfügen normalerweise über 6 Freiheitsgrade und sind in ihrem Aufbau dem menschlichen Arm nachempfunden. Mit bis zu 7 Achsen können sie nahezu jede translatorische und rotatorische Bewegung realisieren. Dadurch sind auch komplexe Bewegungsabläufe möglich bei hoher Flexibilität und Vielseitigkeit. Je nach Konstruktion können entsprechend hohe Traglasten bewegt werden. Typische Einsatzgebiete sind in der Automobilindustrie beim Schweissen, in der Lackierung und Beschichtung und bei Montagearbeiten. Ausserdem werden sie in der Maschinenbeschickung, zum Palettieren und in der Materialhandhabung eingesetzt. Limitiert wird der Einsatz von Knickarmrobotern vor allem durch die hohen Anschaffungskosten und die komplexe Programmierung, die speziell geschultes Fachpersonal voraussetzt.

Scara-Roboter

Scara-Roboter (Selective Compliance Assembly Robot Arm) zeichnen sich durch ihre hohe Präzision aus. Sie verfügen über 2 bis 4 Drehachsen in vertikaler Richtung und eine Linearachse. Das stromlinienförmige Design ermöglicht Arbeiten auf engstem Raum. Mit einer Wiederholgenauigkeit von ±0.01-0.02 mm erreichen sie eine sehr hohe Präzision. Schnelle Zykluszeiten ermöglichen eine hohe Produktivität. Scara-Roboter werden typischerweise in der Elektronikfertigung und in der Halbleiterproduktion eingesetzt, aber auch in der Präzisionsmontage, im Bereich Life-Science und bei Pick-and-Place-Anwendungen. Eine eingeschränkte Flexibilität, geringe Traglasten und eine begrenzte Reichweite limitieren den Einsatz von Scara-Robotern auf spezielle Anwendungen.

Delta-Roboter

Delta-Roboter sind Hochgeschwindigkeits-Spezialisten und basieren auf einer Parallel-Kinematik-Konstruktion. Die Parallelarmroboter mit charakteristischer dreieckiger Form verfügen über 3 oder 4 Freiheitsgrade. Die schweren Antriebsmotoren sind fest in der oberen Basisplattform montiert, die meist über dem Arbeitsbereich angebracht wird. Die herausragenden Stärken von Delta-Robotern liegen in ihrer aussergewöhnlichen Dynamik und Präzision, die sie zu idealen Kandidaten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen machen. Durch die Verlagerung der schweren Motoren in die statische Basis entstehen extrem leichte bewegliche Arme mit minimaler Trägheit, was Beschleunigungen von bis zu 90 g und Taktzeiten von über 100 Zyklen pro Minute ermöglicht. Die parallele Kinematik sorgt für eine hohe strukturelle Steifigkeit und verhindert die bei seriellen Robotern typische Fehleraddition, wodurch eine konstante Genauigkeit über den gesamten Arbeitsbereich gewährleistet wird. Diese Eigenschaften machen Delta-Roboter zu unschlagbaren Lösungen für präzise Pick-and-Place-Aufgaben, bei denen Geschwindigkeit und Wiederholgenauigkeit entscheidend sind. Die Haupteinsatzgebiete von Delta-Robotern konzentrieren sich auf die Lebensmittelindustrie, die etwa 40 Prozent der weltweiten Nachfrage ausmacht, gefolgt von der Pharma- und Elektronikindustrie.

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