Industrieroboter

Ein Industrieroboter ist ein Robotersystem, das zur Herstellung verwendet wird. Industrieroboter sind automatisiert, programmierbar und können auf zwei oder mehr Achsen bewegt werden.

Typische Anwendungen von Robotern umfassen Schweißen, Lackieren, Montage, Bestückung von Leiterplatten, Verpacken und Etikettieren, Palettieren, Produktprüfung und Testen. Alles mit hoher Ausdauer, Geschwindigkeit und Präzision. Sie können bei der Materialhandhabung helfen.

Im Jahr 2015 waren laut International Federation of Robotics (IFR) geschätzte 1,64 Millionen Industrieroboter weltweit im Einsatz.

Typen und Funktionen
Die am häufigsten verwendeten Roboterkonfigurationen sind Knickarmroboter, SCARA-Roboter, Delta-Roboter und kartesische Koordinatenroboter (Portalroboter oder Xyz-Roboter). Im Zusammenhang mit der allgemeinen Robotik würden die meisten Robotertypen in die Kategorie der Roboterarme fallen (inhärent bei der Verwendung des Wortmanipulators in der ISO-Norm 1738). Roboter weisen unterschiedliche Autonomiegrade auf:

Einige Roboter sind so programmiert, dass sie bestimmte Aktionen immer wieder (wiederholte Aktionen) ohne Abweichungen und mit hoher Genauigkeit ausführen. Diese Aktionen werden durch programmierte Routinen bestimmt, die Richtung, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Verzögerung und Entfernung einer Reihe koordinierter Bewegungen angeben.
Andere Roboter sind viel flexibler in Bezug auf die Ausrichtung des Objekts, an dem sie arbeiten, oder sogar die Aufgabe, die an dem Objekt selbst ausgeführt werden muss, was der Roboter möglicherweise sogar identifizieren muss. Zur genaueren Führung enthalten Roboter häufig Bildverarbeitungssysteme, die als visuelle Sensoren dienen und mit leistungsstarken Computern oder Steuerungen verbunden sind. Künstliche Intelligenz oder das, was dazu gehört, [Klarstellung erforderlich] wird im modernen Industrieroboter immer wichtiger.

Es wird zwischen Robotern unterschieden, die auf der verwendeten Kinematik basieren:

Parallelkinematik:
Delta-Roboter mit 3 Gestelldrehachsen und räumlicher Parallelogrammführung der Arbeitsbühne.
Hexapod-Roboter (griech. “Sechsfüßer”) mit 6 Linearachsen, häufig in Flugsimulatoren eingesetzt

Serienkinematik
Artikulierter Roboter:
5- und 6-Achs-Roboter mit 5 oder 6 Rotationsachsen (vergleichbar mit menschlichem Arm)
7-Achs-Roboter mit 7 Achsen
Zweiarmroboter mit 15 Achsen (zwei Achsen mit 7 Achsen und einer weiteren Drehachse)
Palettierroboter mit 2 oder 4 angetriebenen Drehachsen und mechanischer Verriegelung der Handgelenksorientierung
SCARA Roboter mit 3 parallelen Drehachsen und einer Linearachse
Portalroboter mit 3 Linearachsen (Bewegung in einem kartesischen Koordinatensystem x / y / z, vergleichbarer Containerkran) und ggf. einer Drehachse direkt am Greifer.

Ein wichtiges Merkmal von Industrierobotern ist die Belastbarkeit. Dies beschreibt die Masse, die am Ende des Manipulators maximal angebracht werden kann. Für Knickarmroboter gibt es derzeit eine Bandbreite von 2,5 bis 1300 Kilogramm. Darüber hinaus sind Dynamik und Genauigkeit von entscheidender Bedeutung.

Ein besonderer Typ ist der kollaborative Roboter, der so konzipiert ist, dass er mit Personen in einem Raum ohne Wachen zusammenarbeiten kann. Dies eröffnet völlig neue Anwendungen, bringt aber auch neue Anforderungen an das Sicherheitskonzept mit sich, was zu Einschränkungen in Bezug auf Tragfähigkeit, Zykluszeit usw. führen kann.

Geschichte der Industrierobotik
Der erste bekannte Industrieroboter, der der ISO-Definition entsprach, wurde 1937 von “Bill” Griffith P. Taylor fertiggestellt und im Meccano Magazine im März 1938 veröffentlicht. Das kranähnliche Gerät wurde fast vollständig aus Meccano-Teilen hergestellt und von einem einzigen angetrieben Elektromotor. Es waren fünf Bewegungsachsen möglich, einschließlich Greifer- und Greiferdrehung. Die Automatisierung wurde mit gestanztem Papierband erreicht, um die Magnetspulen zu aktivieren, was die Bewegung der Steuerhebel des Krans erleichtern würde. Der Roboter könnte Holzblöcke in vorprogrammierten Mustern stapeln. Die Anzahl der für jede gewünschte Bewegung erforderlichen Motorumdrehungen wurde zuerst auf Millimeterpapier aufgezeichnet. Diese Informationen wurden dann auf das Papierband übertragen, das ebenfalls vom einzelnen Motor des Roboters angetrieben wurde. Chris Shute baute 1997 eine vollständige Nachbildung des Roboters.

George Devol beantragte 1954 die ersten Robotikpatente (erteilt 1961). Das erste Unternehmen, das einen Roboter produzierte, war Unimation, das 1956 von Devol und Joseph F. Engelberger gegründet wurde. Unimation-Roboter wurden auch als programmierbare Transfermaschinen bezeichnet, da sie zunächst hauptsächlich Objekte von einem Punkt zum anderen transportierten, weniger als ein Dutzend Fuß oder so auseinander. Sie verwendeten hydraulische Aktuatoren und wurden in Gelenkkoordinaten programmiert, dh die Winkel der verschiedenen Gelenke wurden während einer Teachphase gespeichert und im Betrieb abgespielt. Sie waren auf 1 / 10.000 Zoll genau (Anmerkung: Die Genauigkeit ist zwar kein geeignetes Maß für Roboter, wird in der Regel im Hinblick auf die Wiederholgenauigkeit bewertet – siehe später). Unimation lizenzierte ihre Technologie später an Kawasaki Heavy Industries und GKN, die Unimates in Japan bzw. England produzierten. Für einige Zeit war Unimimings einziger Konkurrent Cincinnati Milacron Inc. aus Ohio. In den späten 70er Jahren änderte sich dies grundlegend, als mehrere große japanische Mischkonzerne begannen, ähnliche Industrieroboter zu produzieren.

1969 erfand Victor Scheinman von der Stanford University den Stanford-Arm, einen vollelektrischen 6-Achsen-Knickarmroboter, der eine Armlösung ermöglichte. Dies ermöglichte es ihm, beliebigen Bahnen im Weltraum genau zu folgen, und erweiterte die Einsatzmöglichkeiten des Roboters für anspruchsvollere Anwendungen wie Montage und Schweißen. Scheinman entwarf dann einen zweiten Arm für das MIT AI Lab, den “MIT-Arm”. Nachdem er ein Stipendium von Unimation zur Entwicklung seiner Konstruktionen erhalten hatte, verkaufte Scheinman diese Entwürfe an Unimation, die sie mit Unterstützung von General Motors weiterentwickelten und später als Programmierbare Universalmaschine für die Montage (PUMA) vermarkteten.

Die Industrierobotik hat sich in Europa ziemlich schnell durchgesetzt. ABB Robotics und KUKA Robotics brachten 1973 Roboter auf den Markt. ABB Robotics (ehemals ASEA) führte IRB 6 ein, einer der weltweit ersten kommerziell erhältlichen, vollständig mit Mikroprozessor gesteuerten Roboter. Die ersten beiden IRB-6-Roboter wurden zum Schleifen und Polieren von Rohrbögen an Magnusson in Schweden verkauft und im Januar 1974 in der Produktion installiert. Ebenfalls 1973 baute KUKA Robotics seinen ersten Roboter, den sogenannten FAMULUS, ebenfalls einen der ersten Knickarmroboter sechs elektromechanisch angetriebene Achsen.

Das Interesse an Robotik nahm in den späten 70er Jahren zu, und viele US-amerikanische Unternehmen stiegen in das Feld ein, darunter große Unternehmen wie General Electric und General Motors (das Joint Venture FANUC Robotics mit der japanischen FANUC LTD). Zu den US-Startup-Unternehmen gehörten Automatix und Adept Technology, Inc. Auf dem Höhepunkt des Roboterbooms im Jahr 1984 wurde Unimation von der Westinghouse Electric Corporation für 107 Millionen US-Dollar erworben. Westinghouse verkaufte Unimation 1988 an Stäubli Faverges SCA aus Frankreich, das immer noch Gelenkroboter für allgemeine Industrie- und Reinraumanwendungen herstellt und Ende 2004 sogar die Robotersparte von Bosch erwarb.

Letztendlich konnten sich nur wenige nicht-japanische Unternehmen auf diesem Markt behaupten. Die wichtigsten waren: Adept Technology, Stäub, das schwedisch-schweizerische Unternehmen ABB Asea Brown Boveri, das deutsche Unternehmen KUKA Robotics und das italienische Unternehmen Comau.

Anwendungsbereiche
Industrieroboter werden in vielen Bereichen der Produktion eingesetzt, wie z

als fügender Roboter zu
Druck Add
Kleben und Versiegeln
Walzen säumen

als Handhabungsgerät für
Maschinen ausrüsten (Montageroboter)
montieren
Palettieren (Palettierer)
Stapeln (Stapelroboter)
Teile entfernen (Pflückroboter)
Verpackung

als Lackierroboter zum Lackieren oder als Roboter zum Polieren

als Messroboter zum Messen und Prüfen

als Schleifroboter für das Bandschleifen

als Schneidroboter für
Fräsen, Sägen, Wasserstrahlschneiden oder
mit Laser, Messer, Schneidbrenner oder Plasma

als Schweißroboter für
Bahnschweißen (Lichtbogen)
Laserschweißen
Bolzenschweißen
Widerstandsschweißen (Punktschweißen)

Technische Beschreibung

Parameter definieren
Anzahl der Achsen – zwei Achsen sind erforderlich, um einen Punkt in einer Ebene zu erreichen; Drei Achsen sind erforderlich, um jeden Punkt im Raum zu erreichen. Um die Ausrichtung des Armendes (dh des Handgelenks) vollständig zu steuern, sind drei weitere Achsen (Gieren, Nicken und Rollen) erforderlich. Einige Designs (z. B. der SCARA-Roboter) tauschen Einschränkungen bei den Bewegungsmöglichkeiten hinsichtlich Kosten, Geschwindigkeit und Genauigkeit aus.
Freiheitsgrade – dies ist in der Regel die Anzahl der Achsen.
Arbeitsbereich – der Bereich des Weltraums, den ein Roboter erreichen kann.
Kinematik – die tatsächliche Anordnung von starren Elementen und Gelenken im Roboter, die die möglichen Bewegungen des Roboters bestimmt. Klassen der Roboterkinematik umfassen gegliederte, kartesische, parallele und SCARA.
Tragfähigkeit oder Nutzlast – wie viel Gewicht ein Roboter heben kann.
Geschwindigkeit – wie schnell der Roboter sein Armende positionieren kann. Dies kann als Winkel- oder Lineargeschwindigkeit jeder Achse oder als zusammengesetzte Geschwindigkeit definiert werden, dh als Geschwindigkeit des Armendes, wenn sich alle Achsen bewegen.
Beschleunigung – wie schnell eine Achse beschleunigen kann. Da dies ein begrenzender Faktor ist, kann ein Roboter bei Bewegungen über eine kurze Distanz oder auf einem komplexen Weg, der häufige Richtungswechsel erfordert, möglicherweise seine spezifizierte Höchstgeschwindigkeit nicht erreichen.
Genauigkeit – wie nah ein Roboter eine befohlene Position erreichen kann. Wenn die absolute Position des Roboters gemessen und mit der befohlenen Position verglichen wird, ist der Fehler ein Maß für die Genauigkeit. Die Genauigkeit kann durch externe Erfassung, z. B. durch ein Vision-System oder Infrarot, verbessert werden. Siehe Roboterkalibrierung. Die Genauigkeit kann je nach Geschwindigkeit und Position innerhalb des Arbeitsbereichs und der Nutzlast variieren (siehe Konformität).
Wiederholbarkeit – wie gut der Roboter in eine programmierte Position zurückkehrt. Dies ist nicht dasselbe wie Genauigkeit. Es kann sein, dass wenn er aufgefordert wird, zu einer bestimmten XYZ-Position zu gehen, dass er nur 1 mm von dieser Position entfernt ist. Dies wäre die Genauigkeit, die durch die Kalibrierung verbessert werden kann. Wenn diese Position jedoch in den Speicher des Controllers eingelernt wird und jedes Mal, wenn sie dorthin gesendet wird, auf 0,1 mm von der gelernten Position zurückkehrt, liegt die Wiederholgenauigkeit innerhalb von 0,1 mm.

Genauigkeit und Wiederholbarkeit sind verschiedene Maße. Die Wiederholgenauigkeit ist in der Regel das wichtigste Kriterium für einen Roboter und ähnelt dem Konzept der Genauigkeit bei der Messung – siehe Genauigkeit und Präzision. ISO 9283 beschreibt eine Methode, mit der sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit gemessen werden können. Typischerweise wird ein Roboter mehrere Male zu einer gelernten Position geschickt, und der Fehler wird bei jeder Rückkehr zu der Position gemessen, nachdem 4 andere Positionen besucht wurden. Die Wiederholbarkeit wird dann unter Verwendung der Standardabweichung dieser Proben in allen drei Dimensionen quantifiziert. Ein typischer Roboter kann natürlich einen Positionsfehler machen, der darüber hinausgeht und das könnte ein Problem für den Prozess sein. Darüber hinaus ist die Wiederholbarkeit in verschiedenen Bereichen des Arbeitsbereichs unterschiedlich und ändert sich auch mit der Geschwindigkeit und der Nutzlast. ISO 9283 legt fest, dass Genauigkeit und Wiederholbarkeit bei maximaler Geschwindigkeit und maximaler Nutzlast gemessen werden sollten. Dies führt jedoch zu pessimistischen Werten, während der Roboter bei geringen Lasten und Geschwindigkeiten wesentlich genauer und wiederholbarer sein könnte. Die Wiederholbarkeit in einem industriellen Prozess hängt auch von der Genauigkeit des Endeffektors, beispielsweise eines Greifers, und sogar von der Gestaltung der “Finger” ab, die den Greifer an das zu greifende Objekt anpassen. Wenn zum Beispiel ein Roboter eine Schraube am Kopf greift, könnte die Schraube in einem zufälligen Winkel stehen. Ein nachfolgender Versuch, die Schraube in ein Loch einzusetzen, kann leicht fehlschlagen. Diese und ähnliche Szenarien können durch “Einleitungen” verbessert werden, indem z. B. der Eingang zum Loch verjüngt wird. Dies führt jedoch zu pessimistischen Werten, während der Roboter bei geringen Lasten und Geschwindigkeiten wesentlich genauer und wiederholbarer sein könnte. Die Wiederholbarkeit in einem industriellen Prozess hängt auch von der Genauigkeit des Endeffektors, beispielsweise eines Greifers, und sogar von der Gestaltung der “Finger” ab, die den Greifer an das zu greifende Objekt anpassen. Wenn zum Beispiel ein Roboter eine Schraube am Kopf greift, könnte die Schraube in einem zufälligen Winkel stehen. Ein nachfolgender Versuch, die Schraube in ein Loch einzusetzen, kann leicht fehlschlagen. Diese und ähnliche Szenarien können durch “Einleitungen” verbessert werden, indem z. B. der Eingang zum Loch verjüngt wird. Dies führt jedoch zu pessimistischen Werten, während der Roboter bei geringen Lasten und Geschwindigkeiten wesentlich genauer und wiederholbarer sein könnte. Die Wiederholbarkeit in einem industriellen Prozess hängt auch von der Genauigkeit des Endeffektors, beispielsweise eines Greifers, und sogar von der Gestaltung der “Finger” ab, die den Greifer an das zu greifende Objekt anpassen. Wenn zum Beispiel ein Roboter eine Schraube am Kopf greift, könnte die Schraube in einem zufälligen Winkel stehen. Ein nachfolgender Versuch, die Schraube in ein Loch einzusetzen, kann leicht fehlschlagen. Diese und ähnliche Szenarien können durch “Einleitungen” verbessert werden, indem z. B. der Eingang zum Loch verjüngt wird. die den Greifer an das zu greifende Objekt anpassen. Wenn zum Beispiel ein Roboter eine Schraube am Kopf greift, könnte die Schraube in einem zufälligen Winkel stehen. Ein nachfolgender Versuch, die Schraube in ein Loch einzusetzen, kann leicht fehlschlagen. Diese und ähnliche Szenarien können durch “Einleitungen” verbessert werden, indem z. B. der Eingang zum Loch verjüngt wird. die den Greifer an das zu greifende Objekt anpassen. Wenn zum Beispiel ein Roboter eine Schraube am Kopf greift, könnte die Schraube in einem zufälligen Winkel stehen. Ein nachfolgender Versuch, die Schraube in ein Loch einzusetzen, kann leicht fehlschlagen. Diese und ähnliche Szenarien können durch “Einleitungen” verbessert werden, indem z. B. der Eingang zum Loch verjüngt wird.

Bewegungssteuerung – Für einige Anwendungen, wie z. B. die einfache Bestückungsmontage, muss der Roboter lediglich wiederholt zu einer begrenzten Anzahl von vorgelernten Positionen zurückkehren. Für anspruchsvollere Anwendungen wie Schweißen und Schlichten (Spritzlackieren) muss die Bewegung kontinuierlich gesteuert werden, um einem Pfad im Raum mit kontrollierter Ausrichtung und Geschwindigkeit zu folgen.
Stromquelle – Einige Roboter verwenden Elektromotoren, andere verwenden hydraulische Stellantriebe. Erstere sind schneller, Letztere sind stärker und vorteilhaft in Anwendungen wie Spritzlackieren, bei denen ein Funke eine Explosion auslösen könnte; Ein niedriger innerer Luftdruck im Arm kann jedoch das Eindringen brennbarer Dämpfe sowie anderer Verunreinigungen verhindern.
Drive – einige Roboter verbinden Elektromotoren über Zahnräder mit den Gelenken; andere verbinden den Motor direkt mit dem Gelenk (Direktantrieb). Die Verwendung von Zahnrädern führt zu messbarem “Spiel”, einer freien Bewegung in einer Achse. Kleinere Roboterarme verwenden häufig Gleichstrommotoren mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment, die im Allgemeinen hohe Übersetzungsverhältnisse erfordern. Dies hat den Nachteil des Spiels. In solchen Fällen wird häufig der harmonische Antrieb verwendet.
Compliance – Dies ist ein Maß für den Winkel oder Abstand, um den sich eine Roboterachse bewegt, wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird. Aufgrund der Nachgiebigkeit befindet sich ein Roboter in einer Position, in der er seine maximale Nutzlast trägt, etwas niedriger als in einer Position, in der er keine Nutzlast trägt. Compliance kann auch für das Überschießen verantwortlich sein, wenn hohe Nutzlasten mitgeführt werden. In diesem Fall müsste die Beschleunigung reduziert werden.

Struktur
Die Struktur eines Industrieroboters (IR) umfasst:

Kontrolle: Es überwacht und diktiert die Bewegungen und Aktionen der IR. Dies erfordert eine Programmierung.
Antriebe: Der Antrieb bewegt die Glieder der kinematischen Kette und besteht aus Motor, Getriebe und Steuerung. Der Antrieb kann elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch sein.
interner Sensor: Gibt Auskunft über die Position der kinematischen Kette. Sie wird von der Steuerung zum Vergleich von Soll- und Istposition verwendet. Interne Sensoren können beispielsweise Inkrementalgeber, Interferenzmuster oder Lichtschrankenfunktionen sein.
Kinematik: Sie stellt die physikalische Realisierung der tragenden Struktur dar und schafft die räumliche Zuordnung zwischen Werkzeug / Werkstück und Fertigungsstätte. Es besteht aus Rotations- und Translationsachsen. In der Regel sind mindestens 3 Freiheitsgrade erforderlich, um jeden Punkt im Raum zu erreichen. Dies erfordert mindestens 3 Bewegungsachsen.
Greifsysteme: Ein Greifsystem stellt die Verbindung zwischen Werkstück und IR her. Dies kann durch Kraftpaarung, Formpaarung oder Stoffpaarung erfolgen.
Externer Sensor: Er gibt die IR-Rückmeldung über die Umgebung. Es ermöglicht somit eine flexible Reaktion auf ungeplante Änderungen. Externe Sensoren können beispielsweise Bildverarbeitungssysteme (z. B. Laserlicht-Schneidsysteme), Triangulationssensoren, Lichtschrankenfunktionen und Ultraschallsensoren sein.
Optionale Werkzeugschnellwechselsysteme: Sie ermöglichen einen programmgesteuerten Werkzeugwechsel, z. B. Schweißen, Schneiden, Fügen, Palettieren, Kleben. Die im Allgemeinen modularen Schnellwechselsysteme bestehen aus mindestens einer Roboterseite, mehreren Werkzeugseiten und einer entsprechenden Anzahl von Werkzeugschalen. Je nach Anwendungsbereich können die Werkzeugwechsler mit Medienkupplungen (Wasser, Hydraulik, Luft), elektrischen Signalsteckern (Lichtwellenleiter, Datenbus) und elektrischen Stromsteckern ausgestattet werden.

Manipulator
Der Manipulator oder Roboterarm ist eine multifunktionale Handhabungsmaschine, die aus einer Reihe starrer Verbindungen besteht, die durch Gelenk- oder Gleitgelenke miteinander verbunden sind, wobei die Gelenke durch gesteuerte Antriebe einstellbar sind. Ein Ende dieser “Gliederkette” ist die Basis, während das andere Ende frei beweglich ist und mit einem Werkzeug oder Greifer zur Durchführung von Produktionsarbeiten ausgestattet ist.

Roboterprogrammierung und Schnittstellen
Das Einrichten oder Programmieren von Bewegungen und Sequenzen für einen Industrieroboter wird typischerweise durch Verbinden der Robotersteuerung mit einem Laptop, einem Desktop-Computer oder einem (internen oder Internet-) Netzwerk gelehrt.

Ein Roboter und eine Sammlung von Maschinen oder Peripheriegeräten wird als Arbeitszelle oder Zelle bezeichnet. Eine typische Zelle kann einen Teilezuführer, eine Formmaschine und einen Roboter enthalten. Die verschiedenen Maschinen sind “integriert” und werden von einem einzigen Computer oder einer SPS gesteuert. Wie der Roboter mit anderen Maschinen in der Zelle interagiert, muss sowohl hinsichtlich ihrer Position in der Zelle als auch hinsichtlich der Synchronisation mit ihnen programmiert werden.

Software: Der Computer wird mit der entsprechenden Schnittstellensoftware installiert. Die Verwendung eines Computers vereinfacht den Programmiervorgang erheblich. Spezielle Robotersoftware wird je nach Systemdesign entweder in der Robotersteuerung oder im Computer oder in beiden ausgeführt.

Es gibt zwei grundlegende Elemente, die gelehrt (oder programmiert) werden müssen: Positionsdaten und Prozedur. Zum Beispiel müssen bei einer Aufgabe zum Verschieben einer Schnecke von einer Zuführung zu einem Loch die Positionen der Zuführung und des Lochs zuerst eingelernt oder programmiert werden. Zweitens muss das Verfahren, um die Schraube aus dem Einzug in das Loch zu bringen, zusammen mit den betroffenen E / A-Vorgängen programmiert werden, z. B. ein Signal, das anzeigt, wann sich die Schraube im Einzug befindet, um aufgenommen zu werden. Der Zweck der Robotersoftware besteht darin, diese beiden Programmieraufgaben zu erleichtern.

Das Lehren der Roboterpositionen kann auf verschiedene Arten erreicht werden:

Positionsbefehle Der Roboter kann mit einer GUI oder textbasierten Befehlen an die gewünschte Position geleitet werden, in der die erforderliche XYZ-Position angegeben und bearbeitet werden kann.

Teach-Pendant: Roboterpositionen können über ein Teach-Pendant eingelernt werden. Dies ist eine Handsteuerungs- und Programmiereinheit. Die gemeinsamen Merkmale solcher Einheiten sind die Fähigkeit, den Roboter manuell in eine gewünschte Position zu bringen, oder “Inch” oder “Tippen”, um eine Position einzustellen. Sie haben auch die Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu ändern, da für eine sorgfältige Positionierung oder während des Testlaufs in der Regel eine niedrige oder eine geänderte Routine erforderlich ist. Ein großer Not-Aus-Taster ist normalerweise ebenfalls enthalten. Nachdem der Roboter einmal programmiert wurde, kann das Handbediengerät normalerweise nicht mehr verwendet werden.

Vorsprung: Diese Technik wird von vielen Roboterherstellern angeboten. Bei diesem Verfahren hält ein Benutzer den Manipulator des Roboters, während eine andere Person einen Befehl eingibt, der den Roboter abschaltet, wodurch er in den Hinken gerät. Der Benutzer bewegt den Roboter dann von Hand zu den erforderlichen Positionen und / oder entlang eines erforderlichen Pfads, während die Software diese Positionen im Speicher speichert. Das Programm kann den Roboter später zu diesen Positionen oder entlang des gelernten Pfads fahren. Diese Technik ist beliebt für Aufgaben wie das Farbspritzen.

Bei der Offline-Programmierung werden die gesamte Zelle, der Roboter und alle Maschinen oder Instrumente im Arbeitsbereich grafisch abgebildet. Der Roboter kann dann auf dem Bildschirm bewegt und der Prozess simuliert werden. Mit einem Robotik-Simulator können eingebettete Anwendungen für einen Roboter erstellt werden, ohne von der physischen Bedienung des Roboterarms und des Endeffektors abhängig zu sein. Die Vorteile der Robotersimulation sind die Zeitersparnis bei der Gestaltung von Robotikanwendungen. Es kann auch die Sicherheit von Robotergeräten erhöhen, da verschiedene “Was-wäre-wenn” -Szenarien vor der Aktivierung des Systems getestet und getestet werden können. Robotersimulationssoftware bietet eine Plattform zum Lehren, Testen, Ausführen und Debuggen von Programmen, die in verschiedenen Programmiersprachen geschrieben wurden.

Robotersimulationswerkzeuge ermöglichen das bequeme Schreiben und Debuggen von Roboterprogrammen mit der endgültigen Version des Programms, das an einem tatsächlichen Roboter getestet wurde. Durch die Möglichkeit, eine Vorschau des Verhaltens eines Robotersystems in einer virtuellen Welt zu erhalten, können verschiedene Mechanismen, Geräte, Konfigurationen und Controller getestet und getestet werden, bevor sie auf ein “reales” System angewendet werden. Robotik-Simulatoren bieten die Möglichkeit, die simulierte Bewegung eines Industrieroboters in Echtzeit zu berechnen, wobei sowohl die geometrische als auch die kinematische Modellierung verwendet wird.

Sonstiges Darüber hinaus verwenden Maschinenbediener häufig Benutzeroberflächengeräte, typischerweise Touchscreen-Einheiten, die als Bedienfeld dienen. Der Bediener kann von Programm zu Programm wechseln, Anpassungen innerhalb eines Programms vornehmen und außerdem eine Vielzahl von Peripheriegeräten bedienen, die in dasselbe Robotersystem integriert sein können. Dazu gehören Endeffektoren, Zuführvorrichtungen, die den Roboter mit Komponenten versorgen, Förderbänder, Not-Halt-Steuerungen, Bildverarbeitungssysteme, Sicherheitsverriegelungssysteme, Barcodedrucker und eine nahezu unbegrenzte Anzahl anderer industrieller Geräte, auf die über das Bedienfeld des Bedieners zugegriffen werden kann .

Das Programmiergerät oder der PC wird normalerweise nach der Programmierung getrennt und der Roboter läuft dann mit dem Programm, das in seiner Steuerung installiert ist. Ein Computer wird jedoch häufig verwendet, um den Roboter und die Peripheriegeräte zu “überwachen” oder zusätzlichen Speicher für den Zugriff auf zahlreiche komplexe Pfade und Routinen bereitzustellen.

End-of-Arm-Werkzeug
Das wichtigste Roboter-Peripheriegerät ist der Endeffektor (EOT). Übliche Beispiele für Endeffektoren sind Schweißgeräte (wie MIG-Schweißzangen, Punktschweißgeräte usw.), Spritzpistolen sowie Schleif- und Entgratungsgeräte (wie pneumatische Scheiben- oder Bandschleifer, Grate usw.) und Greifer ( Geräte, die ein Objekt erfassen können (normalerweise elektromechanisch oder pneumatisch). Andere übliche Mittel zum Aufnehmen von Objekten sind Vakuum oder Magnete. Endeffektoren sind häufig hochkomplex, auf das zu behandelnde Produkt abgestimmt und können oft eine Reihe von Produkten gleichzeitig aufnehmen. Sie können verschiedene Sensoren verwenden, um das Robotersystem bei der Lokalisierung, Handhabung und Positionierung von Produkten zu unterstützen.

Bewegung kontrollieren
Für einen gegebenen Roboter sind die einzigen Parameter, die erforderlich sind, um den Endeffektor (Greifer, Schweißbrenner usw.) des Roboters vollständig zu lokalisieren, die Winkel jeder der Gelenke oder Verschiebungen der linearen Achsen (oder Kombinationen der beiden für Roboterformate, z als SCARA). Es gibt jedoch viele verschiedene Möglichkeiten, die Punkte zu definieren. Die gebräuchlichste und bequemste Art, einen Punkt zu definieren, besteht darin, eine kartesische Koordinate für ihn festzulegen, dh die Position des ‘Endeffektors’ in mm in X-, Y- und Z-Richtung relativ zum Ursprung des Roboters. In Abhängigkeit von den Arten von Gelenken, die ein bestimmter Roboter haben kann, müssen außerdem die Ausrichtung des Endeffektors in Gieren, Nicken und Rollen sowie die Position des Werkzeugpunkts relativ zur Frontplatte des Roboters angegeben werden. Für einen Gelenkarm müssen diese Koordinaten von der Robotersteuerung in Gelenkwinkel umgewandelt werden, und solche Umwandlungen sind als kartesische Transformationen bekannt, die für einen mehrachsigen Roboter möglicherweise iterativ oder rekursiv ausgeführt werden müssen. Die Mathematik der Beziehung zwischen Gelenkwinkeln und tatsächlichen Raumkoordinaten wird als Kinematik bezeichnet. Siehe Robotersteuerung

Die Positionierung durch kartesische Koordinaten kann durch Eingabe der Koordinaten in das System oder durch Verwendung eines Handbediengeräts erfolgen, das den Roboter in XYZ-Richtungen bewegt. Es ist für einen menschlichen Bediener viel einfacher, Bewegungen nach oben / unten, links / rechts usw. zu visualisieren, als jedes Gelenk einzeln zu bewegen. Wenn die gewünschte Position erreicht ist, wird sie in gewisser Weise für die verwendete Robotersoftware definiert, z. B. P1 – P5 unten.

Typische Programmierung
Die meisten Knickarmroboter speichern eine Reihe von Positionen im Speicher und bewegen sich zu verschiedenen Zeitpunkten in ihrer Programmiersequenz zu ihnen. Beispielsweise könnte ein Roboter, der Gegenstände von einem Ort zu einem anderen bewegt, ein einfaches ‘Pick and Place’-Programm haben, das dem folgenden ähnelt:

Definieren Sie die Punkte P1 – P5:

Sicher über dem Werkstück (definiert als P1)
10 cm über Behälter A (definiert als P2)
An Position, um von Ablage A aus teilzunehmen (definiert als P3)
10 cm über Behälter B (definiert als P4)
An der Position, an der ich aus dem Behälter B teilnehmen möchte (definiert als P5)

Programm definieren:

Gehen Sie zu P1
Gehen Sie zu P2
Gehen Sie zu P3
Greifer schließen
Gehen Sie zu P2
Gehen Sie zu P4
Gehen Sie zu P5
Greifer öffnen
Gehen Sie zu P4
Gehe zu P1 und fertig

Beispiele dafür, wie dies in gängigen Robotersprachen aussehen würde, finden Sie unter Industrieroboterprogrammierung.

Singularitäten
Der amerikanische nationale Standard für Industrieroboter und Robotersysteme – Sicherheitsanforderungen (ANSI / RIA R15.06-1999) definiert eine Singularität als “Bedingung, die durch die kollineare Ausrichtung von zwei oder mehr Roboterachsen verursacht wird, was zu unvorhersehbaren Roboterbewegungen und -geschwindigkeiten führt.” Es ist am häufigsten bei Roboterarmen, die ein „Dreifachrollengelenk“ verwenden. Dies ist ein Handgelenk, um das die drei Achsen des Handgelenks, die Gieren, Nicken und Rollen steuern, alle einen gemeinsamen Punkt durchlaufen. Ein Beispiel für eine Handgelenks-Singularität ist, wenn der Weg, durch den der Roboter fährt, die erste und dritte Achse des Robotergelenks (dh die Roboterachsen 4 und 6 des Roboters) in eine Reihe bringt. Die zweite Handgelenkachse versucht dann, die Nullpunktzeit um 180 ° zu drehen, um die Ausrichtung des Endeffektors zu erhalten. Ein anderer gebräuchlicher Begriff für diese Singularität ist ein “Handgelenks-Flip”. Das Ergebnis einer Singularität kann ziemlich dramatisch sein und negative Auswirkungen auf den Roboterarm, den Endeffektor und den Prozess haben. Einige Hersteller von Industrierobotern haben versucht, die Situation durch schrittweises Verändern der Bewegungsrichtung des Roboters zu umgehen, um diesen Zustand zu verhindern. Eine andere Methode besteht darin, die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters zu verlangsamen, wodurch die Geschwindigkeit verringert wird, die das Handgelenk für den Übergang benötigt. Der ANSI / RIA hat vorgeschrieben, dass Roboterhersteller den Benutzer auf Singularitäten aufmerksam machen müssen, wenn sie auftreten, während das System manuell manipuliert wird. Dadurch wird die Geschwindigkeit reduziert, die das Handgelenk für den Übergang benötigt. Die ANSI / RIA hat vorgeschrieben, dass Roboterhersteller den Benutzer auf Singularitäten aufmerksam machen müssen, wenn sie auftreten, während das System manuell manipuliert wird. Dadurch wird die Geschwindigkeit reduziert, die das Handgelenk für den Übergang benötigt. Der ANSI / RIA hat vorgeschrieben, dass Roboterhersteller den Benutzer auf Singularitäten aufmerksam machen müssen, wenn sie auftreten, während das System manuell manipuliert wird.

Eine zweite Art der Singularität bei handgelenkgeteilten, vertikal gegliederten sechsachsigen Robotern tritt auf, wenn der Handgelenksmittelpunkt auf einem Zylinder liegt, der um die Achse 1 zentriert ist und dessen Radius dem Abstand zwischen den Achsen 1 und 4 entspricht. Dies wird Schulter-Singularität genannt. Einige Roboterhersteller erwähnen auch Ausrichtungs-Singularitäten, bei denen die Achsen 1 und 6 zusammenfallen. Dies ist einfach ein Unterfall von Schulter-Singularitäten. Wenn der Roboter an einer Schulter-Singularität vorbeigeht, dreht sich Gelenk 1 sehr schnell.

Die dritte und letzte Art der Singularität bei handgelenkgeteilten, vertikal gegliederten sechsachsigen Robotern tritt auf, wenn der Mittelpunkt des Handgelenks in derselben Ebene liegt wie die Achsen 2 und 3.

Singularitäten hängen eng mit den Phänomenen der Kardanverriegelung zusammen, die eine ähnliche Ursache für das Aneinanderreihen von Achsen hat.

Ein Video, das diese drei Arten von Einzelkonfigurationen veranschaulicht, ist hier verfügbar.

Gesundheit und Sicherheit
Die International Federation of Robotics prognostiziert einen weltweiten Anstieg der Akzeptanz von Industrierobotern und schätzte bis 2020 weltweit 1,7 Millionen neue Roboterinstallationen in Fabriken [IFR 2017]. Schnelle Fortschritte in der Automatisierungstechnik (z. B. stationäre Roboter, kollaborative und mobile Roboter sowie Exoskelette) können die Arbeitsbedingungen verbessern, aber auch Arbeitsplatzgefährdungen an Fertigungsarbeitsplätzen verursachen. Trotz des Fehlens von Daten zur Arbeitsüberwachung von Verletzungen, die speziell mit Robotern in Verbindung gebracht werden, identifizierten Forscher des US-amerikanischen National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) zwischen 1992 und 2015 61 roboterbedingte Todesfälle anhand von Stichwörtern der Bureau of Labor Statistics (BLS) Datenbank zur Erfassung tödlicher Verletzungen bei Arbeitsunfällen (siehe Informationen des Zentrums für Arbeitsrobotikforschung). Anhand von Daten des Amtes für Arbeitsstatistik untersuchten NIOSH und seine staatlichen Partner 4 im Zusammenhang mit Robotern im Zusammenhang mit dem Fatality Assessment and Control Evaluation Program durchgeführte Todesfälle. Darüber hinaus hat die Verwaltung für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz (OSHA) Dutzende von durch Roboter verursachten Todesfällen und Verletzungen untersucht, die auf der OSHA-Seite “Unfallsuche” eingesehen werden können. Verletzungen und Todesfälle könnten sich im Laufe der Zeit erhöhen, da immer mehr kollaborative und gleichzeitig vorhandene Roboter, angetriebene Exoskelette und autonome Fahrzeuge in das Arbeitsumfeld geraten. Darüber hinaus hat die Verwaltung für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz (OSHA) Dutzende von durch Roboter verursachten Todesfällen und Verletzungen untersucht, die auf der OSHA-Seite “Unfallsuche” eingesehen werden können. Verletzungen und Todesfälle könnten sich im Laufe der Zeit erhöhen, da immer mehr kollaborative und gleichzeitig vorhandene Roboter, angetriebene Exoskelette und autonome Fahrzeuge in das Arbeitsumfeld geraten. Darüber hinaus hat die Verwaltung für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz (OSHA) Dutzende von durch Roboter verursachten Todesfällen und Verletzungen untersucht, die auf der OSHA-Seite “Unfallsuche” eingesehen werden können. Verletzungen und Todesfälle könnten sich im Laufe der Zeit erhöhen, da immer mehr kollaborative und gleichzeitig vorhandene Roboter, angetriebene Exoskelette und autonome Fahrzeuge in das Arbeitsumfeld geraten.

Sicherheitsstandards werden von der Robotic Industries Association (RIA) in Zusammenarbeit mit dem American National Standards Institute (ANSI) entwickelt. Am 5. Oktober 2017 unterzeichneten OSHA, NIOSH und RIA eine Allianz, um zusammenzuarbeiten, um das technische Fachwissen zu verbessern, potenzielle Gefahren für den Arbeitsplatz zu identifizieren, die mit traditionellen Industrierobotern und der aufkommenden Technologie von Mensch-Roboter-Kollaborationsanlagen und -systemen verbunden sind, und deren Identifizierung zu unterstützen Forschung erforderlich, um Gefahren am Arbeitsplatz zu reduzieren. Am 16. Oktober gründete NIOSH das Center for Occupational Robotics Research, um “eine wissenschaftliche Führungsrolle zu übernehmen, um die Entwicklung und den Einsatz von Arbeitsrobotern zur Verbesserung der Sicherheit, der Gesundheit und des Wohlbefindens von Arbeitnehmern zu steuern”. Zu den von NIOSH und seinen Partnern identifizierten Forschungsbedürfnissen zählen bisher: Verfolgung und Vorbeugung von Verletzungen und Todesfällen,

Die erste Schutzmaßnahme ist daher in der Regel die Trennung des Bewegungsraums von Mensch- und Industrierobotern durch Schutzgitter mit sicheren Schutztüren oder Fotozellen. Durch Öffnen der Schutztür oder Unterbrechen der Lichtschranke stoppt der Roboter sofort. In besonderen Betriebsarten, in denen der Mensch den Gefahrenbereich des Roboters betreten muss (z. B. während des Teachens), muss ein Zustimmtaster betätigt werden, um Bewegungen des Roboters explizit zuzulassen. Gleichzeitig müssen die Geschwindigkeiten des Roboters auf ein sicheres Niveau begrenzt sein.

Neuere Entwicklungen (Assistenzroboter) zeigen in die Richtung, in die der Roboter mit Hilfe von Sensoren rechtzeitig eine Annäherung eines Fremdkörpers oder einer Person erkennt und seine Bewegung bremst, stoppt oder sogar automatisch zurückfährt. So ist zukünftig eine gemeinsame Zusammenarbeit mit dem Roboter in unmittelbarer Nähe möglich.

Alle persönlichen Sicherheitskontrollkreise sind in der Regel redundant und werden überwacht, so dass ein Ausfall wie ein Kurzschluss nicht zu einem Verlust der Sicherheit führt.

Eine Gefahrenanalyse dient dazu, die vom Roboter oder von Zusatzgeräten ausgehenden Gefahren zu ermitteln und eine geeignete Schutzeinrichtung dafür auszulegen. Alle im Sicherheitskreis angeschlossenen Geräte müssen der ausgewählten Kategorie entsprechen.

Marktstruktur
Laut der Studie World Robotics 2018 der International Federation of Robotics (IFR) waren Ende 2017 rund 2.097.500 betriebsfähige Industrieroboter im Einsatz. Diese Zahl wird sich bis Ende 2021 auf 3.788.000 belaufen. Für das Jahr 2017 schätzt der IFR weltweit Umsatz von Industrierobotern mit 16,2 Mrd. USD Einschließlich der Kosten für Software, Peripheriegeräte und Systemtechnik wird der Jahresumsatz für Robotersysteme 2017 auf 48,0 Milliarden US-Dollar geschätzt.

China ist mit 137.900 verkauften Einheiten im Jahr 2017 der größte Markt für Industrieroboter. Japan verfügte Ende 2015 mit 286.554 über den größten Bestand an Industrierobotern. Der größte Abnehmer von Industrierobotern ist die Automobilindustrie mit einem Marktanteil von 33%, dann elektrisch / Elektronikindustrie mit 32%, Metall- und Maschinenindustrie mit 12%, Gummi- und Kunststoffindustrie mit 5%, Lebensmittelindustrie mit 3%. In der Textil-, Bekleidungs- und Lederindustrie sind 1.580 Einheiten betriebsbereit.

Hersteller
Bekannte Hersteller von Industrierobotern sind:

Deutschland:
Dürr AG
KUKA Roboter
Reis Robotics (seit 2013 Teil der KUKA AG)

Japan:
Motoman
Yaskawa Electric Corporation
Denso
Epson
Fanuc
Hirata
Kawasaki Heavy Industries
Mitsubishi Electric
Nihon Densan Sankyo
Panasonic

Schweiz:
Güdel
Sigpack-Systeme (Bosch Packaging)
Stäubli
ABB Robotics

Österreich:
igm Robotersysteme

VEREINIGTE STAATEN:
Adept-Technologie

Nahezu jeder Hersteller verwendet eigene Steuerungen, die sich in ihrer Programmierung, Leistung und der erreichbaren Bahngenauigkeit des Roboters unterscheiden. Typische Steuerungen sind IRC5, S4C + (ABB AG) und KRC3 (Kuka AG).

Daneben gibt es zahlreiche Systemhäuser, die die Industrieroboter in individuellen, auf die jeweiligen Kundenanforderungen zugeschnittenen Systemen zum Leben erwecken. In großen Produktionen, beispielsweise in der Automobilproduktion, werden oft nur Roboter eines einzigen Herstellers verwendet. Dies reduziert die Anzahl der Ersatzteile, die auf Lager gehalten werden müssen. Es entfällt auch die Notwendigkeit, die Mitarbeiter auf verschiedenen Systemen zu schulen. Immer mehr Automobilhersteller wenden sich jedoch an den günstigsten Roboteranbieter, um den Auftrag zu vergeben, um eine einseitige Roboterbevölkerung und damit die Preisabhängigkeit eines einzelnen Herstellers zu reduzieren.

Unternehmen wie VW, die früher über eine eigene Roboterproduktion verfügten, haben dies mit zunehmender Spezialisierung eingestellt und beziehen ihren Bedarf an Industrierobotern nun extern.