Roboterarme – effiziente und präzise Helfer
Wie Knickarmroboter unsere moderne Industrie ermöglichen
Knickarmroboter spielen eine tragende Rolle in vielen Bereichen der modernen Industrie. Mit unermüdlicher Präzision können sie automatisierte Aufgaben erfüllen. Wir geben ihnen einen Einblick in die vielfältigen Anwendungen dieser automatischen Greifer und zeigen Ihnen unterschiedliche Modelle.
Was ist ein Knickarmroboter und wie funktioniert er?
Ein Knickarmroboter beinhaltet sowohl Steuerungseinheiten (wie z. B. Mikroprozessoren, Drehgeber) als auch Antriebe sowie den Manipulator, an dessen Ende sich der Effektor befindet. Kleinere Roboterarme, wie sie heutzutage in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, können auf einem Tisch montiert und elektronisch gesteuert werden. Größere Versionen hingegen werden am Boden montiert. Dabei bestehen beide Varianten in der Regel aus robustem und langlebigem Metall, oftmals Stahl oder Gusseisen. Industrieroboter verfügen über mehrere Gelenkverbindungen, durch die sie in der Lage sind, komplexe Bewegungen und Aufgaben zu erfüllen.
Durch technologischen Fortschritt und gesunkene Herstellungskosten, insbesondere in den letzten zehn Jahren, sind Roboterarme überaus erschwinglich geworden und spielen mittlerweile in vielen verschiedenen Industriezweigen eine bedeutende Rolle in der Produktion und Fertigung, auch in kleineren Betrieben.
Häufig verfügen sie über sechs bis acht Gelenke und werden mithilfe von Schrittmotoren angetrieben, was einen hohen Kraftaufwand bei gleichzeitig guter Beweglichkeit gewährleistet. Abhängig von der Aufgabe können auch weniger Gelenke oder hydraulische oder pneumatische Aktuatoren zum Einsatz kommen.
Je nach Bauform unterscheiden sich Industrieroboter in der Anordnung der Gelenke und Zwischenglieder, aber auch dem verwendeten Endeffektor.
Wo kommen Knickarmroboter zum Einsatz?
Roboterarme können für alle erdenklichen Aufgaben in Produktion, Verarbeitung und Manufaktur von Werkstoffen und Gütern eingesetzt werden. Überall, wo präzise und wiederholende Bewegungen gebraucht werden, punkten Roboterarme durch hohe Geschwindigkeiten.
Zusätzlich können sie an jeder Stelle eingesetzt werden, die aufgrund äußerer Umstände zu gefährlich für den Menschen ist: Egal ob extreme Temperaturen oder giftige Chemikalien, die Industrieroboter können je nach Bauweise nahezu allen Bedingungen standhalten.
Ein weiterer Vorteil ist, dass Roboterarme jeder Art aus sterilen Materialien wie Edelstahl konstruiert werden können ‒ dadurch eignen sie sich hervorragend für die Implementierung in der Medizin oder Lebensmittelverarbeitung.
Die häufigsten Anwendungsfelder in der Praxis sind:
- industrielle Automatisierung
- Laboratorien
- Forschung und Entwicklung
- Manufaktur
- Medizin
- Lebensmittelindustrie
- Logistik
Aber auch im Hobbybereich und klein angelegten Produktionsprozessen halten Knickarmroboter dank stetig sinkender Kosten und wachsender Möglichkeiten Einzug.
Gut zu wissen!
Auf das richtige Werkzeug kommt es an!
Der Endeffektor ist das Werkzeug am Ende eines Roboterarmes und hat oftmals den größten Einfluss darauf, welche Aufgaben dieser erfüllen kann. Ein „Gripper“ (dt. Greifer) ermöglicht z. B. das Aufnehmen und Platzieren von Gegenständen, während Werkzeuge wie Kreissägen das Bearbeiten von Werkstücken zulassen. Hierbei gibt es quasi endlose Möglichkeiten: von Schweißapparaten und Lackiervorrichtungen in der Automobilindustrie bis hin zu hochauflösenden Kameras und Skalpellen in der Medizin.
Klassifizierungen von Robotern
Knickarmroboter stellen nur eine Form von Industrierobotern dar. Viele spezialisierte Versionen mit unterschiedlichen Funktionsweisen sind erhältlich. Dank wichtiger Features und hohen Freiheitsgraden sind die heute auf dem Markt erhältlichen Roboter zahlreichen speziellen Aufgaben gewachsen, von der Montage kleiner Bauteile wie Zahnbohrern bis zu Schweißarbeiten in der Autoindustrie. Hier geben wir ihnen einen einfachen Überblick über die am häufigsten eingesetzten Industrieroboter.
| Typ | Funktionsweise | Arbeitsbereich | Vorteile | Anwendungsfelder |
| Portalroboter | Kombination von linearen Achsen. | kartesisch, meist quadratisch oder rechteckig | besonders simpel und daher kostengünstig | großflächige, simple Aufgaben, z.B: „Smart Warehouses“, Laboratorien, Lackierarbeiten |
| Zylindrische Roboter | Rotierende Arme, die entlang der Z-Achse auf- und abfahren können. | zylindrisch | besonders hohe Geschwindigkeiten in einem großen Arbeitsraum | Montageoperationen, Punktschweißen, Werkmaschinen-Handhabung |
| Sphärische Roboter | Roboterarm, der über ein Drehgelenk mit seiner Basis verbunden ist. | kugelförmig | hohe Bewegungsfreiheit | Handhabung von Werkzeugmaschinen, Druckguss, Lichtbogenschweißen |
| SCARA Roboter | Verknüpfung horizontaler Rotationsachsen mit vertikalen Kolben. | scheibenförmig | sehr hohe Präzision und Geschwindigkeit bei wiederholenden Vorgängen | Montagearbeiten, Pick-and-Place-Aufgaben |
Diese Kenngrößen sind für Roboterarme entscheidend
Dank der vielfältigen Optionen kann ein Industrieroboter individuell auf jede Aufgabe zugeschnitten werden. Besonders wichtig sind dabei die Kenngrößen, die die Umstände einer Aufgabe in Zahlen ausdrücken.
Typische Größen sind:
Maximale Belastung
Jeder Roboter kann abhängig von seiner Konstruktion ein bestimmtes Gewicht halten. Dieses beinhaltet auch am Roboterarm angebrachte Werkzeuge und eventuelle Materialien, die während einer Aufgabe z. B. mit einem Greifer gehoben werden.
Geschwindigkeit
Insbesondere bei Aufgaben an Fließbändern oder Produktionsstraßen sollte man darauf achten, dass die verwendeten Roboter ihre Aufgaben ausreichend schnell erledigen können. Bei Pick-and-Place-Aufgaben am Fließband bleiben einem Roboter manchmal nur wenige Sekunden, bevor das aufzuhebende Objekt an ihm vorbei befördert ist.
Reichweite
Je nach Bauform besitzt jeder Roboterarm einen bestimmten Arbeitsbereich, innerhalb dessen der Endeffektor manövriert werden kann. Oftmals weist dieser Lücken auf, z. B. an der Rückseite des Roboters. Bei der Implementierung des Knickarm-Roboters müssen diese “blinden Flecken” bedacht werden.
Präzision
Einige Industrieroboter werden mit besonderem Augenmerk auf diese Kenngröße konstruiert. Sie gibt Aufschluss darüber, mit welcher Genauigkeit eine programmierte Bewegung ausgeführt werden kann. Eine hohe Präzision mag für großflächige Lackierarbeiten am Fließband überflüssig sein, für das Führen eines Plasmacutters bei medizinischen Anwendungen ist sie hingegen unerlässlich.
Umgebungsfaktoren
Faktoren wie die Atmosphäre der Arbeitsumgebung oder die Menge an Staub, Schmutz und Feuchtigkeit, denen ein Roboterarm ausgesetzt ist, müssen stets bedacht werden. Praktischerweise können die meisten Roboter mithilfe von Upgrades widerstandsfähiger gemacht werden.
Auslastungsgrad
Diese Größe verrät, wie intensiv der Roboterarm belastet werden kann. Gemeint ist damit hauptsächlich die Zeit, die der Roboter zwischen Aufgaben verweilen kann. Muss dieselbe Aufgabe wieder und wieder ohne Pause ausgeführt werden, entspricht das einem hohen Auslastungsgrad und der Roboterarm muss vermutlich deutlich öfter gewartet und repariert werden.
Wie sicher ist der Einsatz von Knickarmrobotern?
Ausreichende Sicherheit ist das A und O beim Umgang mit schweren Maschinen. Schließlich können diese Maschinen enorme Kräfte aufwenden, die im schlimmsten Fall zu ernsthaften Personen- oder Sachschäden führen können.
Knickarmroboter stellen dabei eine ganz besondere Herausforderung dar: Sie müssen oftmals freistehend montiert werden, um ihre Arbeit zuverlässig erfüllen zu können. Durch plötzliche Bewegungen mit großer Reichweite ist es möglich, dass sie menschliches Personal in der Anlage überraschen. Damit solche Unfälle nicht passieren, gibt es mehrere spezielle Gerätschaften, die in Kombination mit ausreichender Planung und Sicherheitsmanagement das Risiko einer Anlage minimieren können.
Die vermutlich simpelste Lösung besteht in der Implementierung von Lichtvorhängen: Diese speziellen Sensoren messen konstant den Arbeitsbereich des Roboterarmes und registrieren, wenn sich eine Person zu nah an den Arm bewegt. Durch komplettes Ausschalten oder starke Verlangsamung seiner Bewegung lassen sich so oftmals Unfälle verhindern. Mehr dazu finden Sie auch in unserem Leitfaden. Auch mit simplen Näherungssensoren oder Druckplatten am Boden lässt sich so ein sicherer Arbeitsbereich schaffen.
Eine interessante Lösung bei fortschrittlichen Robotern besteht in besonderen Steuermodulen. Diese sind in der Lage, die Bewegungen des Roboters so anzupassen, dass sie gezielt Hindernisse wie menschliche Arbeitskräfte umgehen. Der Vorteil: Der Roboter kann weiterhin seine Tätigkeit ausführen, ohne komplett anzuhalten. Allerdings erfordert eine solche Steuerung präzise Sensorik und fortschrittliche Software, was durchaus kostspielig werden kann.
Die fünf goldenen Regeln zur Instandhaltung von Industrierobotern
Damit Roboterarme ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen, sollten sie ausreichend gepflegt werden. Denn: Gerade Industrieroboter leiden aufgrund ihres oftmals hohen Auslastungsgrades unter viel Verschleiß. Wir geben Ihnen fünf Tipps für die richtige Instandhaltung.
Planen Sie von Anfang an richtig
Noch vor dem ersten Einsatz lassen sich durch detaillierte Planung viel Arbeit und Kosten einsparen. Welche Nutzlast fällt an? Welcher Arbeitsbereich ist erforderlich? Welche zusätzlichen Belastungen (Staub, Feuchtigkeit etc.) erschweren die Bedingungen? Durch sorgfältiges Einplanen der Umstände und der Kennzahlen des Roboterarmes lassen sich Schäden und Verschleiß drastisch reduzieren.
Führen Sie regelmäßig Funktionstests durch
Ein regelmäßiges Testen der Funktionalität gehört zu den wichtigsten Bestandteilen der Wartungsroutine. Die Überprüfung von Motorbremsen, Bewegungstoleranzen und mechanischem Abrieb gibt schnell Aufschluss darüber, ob Teile gewartet oder ersetzt werden müssen. Wichtig: Auch die Steuersoftware und die Lärmbelastung sollten stets sorgfältig geprüft werden, um schleichende Schäden schnell entgegenwirken zu können.
Die richtige Reinigung verhindert vorzeitigen Verschleiß
Wo gehobelt wird fallen Späne – deshalb sollten Roboterarme häufig gereinigt werden. Metallspäne nach Schweißarbeiten oder Reste von flüssigen Chemikalien können langfristig zu Schäden an Gelenken und Motoren führen und müssen deshalb regelmäßig beseitigt werden. Von Vorteil sind wasserdichte Roboter, dadurch lässt sich eine Reinigung zeitsparend mit Hochdruck-Wasserstrahlern durchführen.
Unerlässliche Reparaturen immer zeitig durchführen
Besonders bei älteren Geräten mit hohem Auslastungsgrad gehen durch aus auch Teile kaputt. Richtig durchgeführte Funktionstests verraten, welche Teile ersetzt oder repariert werden müssen, um die Funktionalität des Roboterarmes wieder sicherzustellen. Aber auch das Nachziehen von Schrauben oder Ölen von Gelenken gehört dabei absolut zur Routine. Wenn große Teile ersetzt werden, ist eine teilweise Demontierung des Roboters manchmal nicht zu verhindern. Zum Glück gibt es hierfür praktische Montagekits, die diese Arbeiten um ein Vielfaches erleichtern.
Vergessen Sie die Upgrades nicht
Nicht jeder Knickarmroboter ist standardmäßig wasser- und staubfest oder kann Hindernisse automatisch umsteuern. Gerade ältere Geräte besitzen im direkten Vergleich manchmal nur sehr eingeschränkte Funktionen. Doch mithilfe von Upgrades lassen sich allerlei Funktionen ergänzen: Außenverkleidungen können ersetzt werden, um wasser- oder schadstofffest zu werden. Steuermodule können verbessert werden, um komplexere Bewegungen zu ermöglichen. Dank vielseitiger Roboterkits lassen sich zahlreiche Extras oftmals nachträglich aufrüsten.
Effektive Zusammenarbeit: Mensch-und-Maschine-Kollaborationen
Mit stetigen Fortschritten in Forschung und Technologie ergeben sich auch in der Praxis mehr und mehr Möglichkeiten der Automatisierung. Roboter, die Pflegepersonal ersetzen, Fahrzeuge steuern oder sogar chirurgische Eingriffe vornehmen, sind längst keine Science-Fiction mehr. Und auch wenn viele dieser Neuerungen noch nicht standardmäßig eingesetzt werden, so gibt es doch einige interessante Fortschritte, die bereits Einzug in die Industrie halten. So zum Beispiel CoBots, „Collaborating Robots“ (dt. Kollaborierende Roboter). Diese spezialisierten Industrieroboter werden mit besonderem Augenmerk auf menschliche Zusammenarbeit konstruiert. Sie helfen z. B. Fließbandmonteuren bei der Arbeit, indem sie schwere Teile bewegen oder Werkzeuge einsetzen, die für die menschlichen Mitarbeiter nur mühsam einzusetzen sind. Mittels spezieller Sensorik und Steuerung können sie dabei selbstständig verhindern, dem Menschen in die Quere zu kommen oder ihn gar zu verletzen und sind so die idealen Assistenten des Menschen.
Das könnte Sie auch interessieren:
Mikrocontroller und CPUs - einfach erklärt!
Nicht nur in der Robotik sind Mikrocontroller unerlässlich. Auch in vielen anderen Bereichen der Elektronik stellen sie die bessere Alternative zu CPUs dar. Hier erfahren Sie mehr darüber!
Read Story >
Alles über Drehgeber
Damit Maschinen so richtig "rund" laufen können, müssen Drehgeber mechanische Rotationsbewegungen in elektronisch verwertbare Ausgangssignale umwandeln. Wie das funktioniert, lesen Sie in unserem Artikel dazu.
Read Story >